Трансформация современных взглядов на физико-химические основы строения вещества — одна из наиболее важных современных тенденций в химии. В этом прорывном направлении работают ученые Южно-Уральского государственного университета. Новые фундаментальные знания в химии станут отправной точкой для следующего этапа развития материаловедения, а цифровые химические технологии ускорят воплощение практически значимых идей.
Один из главных проектов международной лаборатории «Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов» ЮУрГУ — междисциплинарное исследование свойств химических связей и межмолекулярных взаимодействий, находящееся на стыке химии, физики и информатики. О проделанной работе рассказала заведующий лабораторией, доктор химических наук Екатерина Барташевич.
От молекул к межмолекулярным взаимодействиям
«Еще в конце ХХ века ученые-химики утверждали, что молекула определяет свойства вещества. Это утверждение не исчерпывает, однако, проблему микроскопической природы физико-химических свойств. Сталкиваясь с многообразием строения кристаллических и полимерных материалов, конденсированных сред, мы понимаем, что эти свойства будут определяться не только набором молекул, но и тем, как они связаны между собой. Поэтому научное сообщество стремится систематизировать информацию о химических связях, чтобы перейти к алгоритмам, прогнозирующим строение многокомпонентных соединений. Этому способствует и интерес к материалам на основе органических соединений, к компонентам солнечных батарей, электрооптическим свойствам жидких кристаллов, лекарствам. Чтобы вырабатывать рекомендации к синтезу новых функциональных материалов, нужно, прежде всего, систематизировать знания о том, как могут взаимодействовать между собой частицы в веществе, и научиться использовать эти данные».
2019 год объявлен Международным годом периодической таблицы химических элементов. В настоящее время в области исследования межмолекулярных взаимодействий происходит выстраивание собственной периодической системы. Эта систематизация опирается на общность свойств элементов в рядах и определяет, как будут взаимодействовать между собой молекулы в веществе. Практический взгляд с позиций химии на физико-химические основы строения вещества являются основой таких исследований.
На пути к мировоззренческим изменениям в химии
«В основе выстраиваемой научным сообществом новой системы межмолекулярных взаимодействий — периодическая таблица Менделеева, которая является «фундаментом» базы знаний в химии, — подчеркивает Екатерина Владимировна. — В настоящее время для более крупных структурных единиц формируется своя система. Ее составляющие — уже не химические элементы, а связи между молекулами и их агломератами. В терминах новой классификации выделяют галогенную, халькогенную, пниктогенную, тетрельную связь и т.д. По силе, устойчивости и влиянию на свойства вещества их можно сравнивать с водородной связью, влияние которой на свойства жизненно важных соединений (например, белков и нуклеиновых кислот) хорошо известно даже из школьной программы. Галогенные связи обеспечивают пластичность некоторых кристаллических материалов, а халькогенные — низкотемпературную проводимость. Изучение и систематизация свойств межмолекулярных связей открывают путь к объективным прогнозам: когда известны закономерности строения, становится понятным, чего следует ожидать от той или иной комбинации свойств».
.jpg)
Новая система знаний в химии — путь к новым материалам
Деление межмолекулярных взаимодействия на галогенные, халькогенные, пниктогенные и тетрельные связи — это новый взгляд на периодическую систему. Официальное определение IUPAC (Международный союз по чистой и прикладной химии) галогенной связи было дано совсем недавно, в 2013 году. Ученые Южно-Уральского государственного университета одними из первых стали работать в этом направлении. Они принимали участие в I Международном симпозиуме по галогенным связям, ISXB-1, который проходил в Италии. Через два года, на ISXB-2 в Швеции, доклад Екатерины Барташевич вызвал серьезный интерес и получил признание в международном научном сообществе. Сегодня один из проектов лаборатории «Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов» поддерживается Российским фондом фундаментальных исследований.
«Безусловно, задачи моделирования свойств вещества носят междисциплинарный характер. Если химические знания дополняются знаниями, например, из области квантовой кристаллографии и опираются на суперкомпьютерные вычисления, это помогает завладеть научными приоритетами. В феврале 2018 года в высокорейтинговом научном издании «Journal of Computational Chemistry» по теме характеризации химических связей опубликована наша совместная работа с профессором Владимиром Цирельсоном из Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева. Исследования молекулярных кристаллов с галогенными связями и поиск среди них новых структур с нелинейно-оптическими свойствами ведется совместно с профессором Артёмом Масуновым из Университета Центральной Флориды (США). Наша научная группа, в которую входят молодые ученые ЮУрГУ, Ирина Юшина и Александр Дьяков, ставит перед собой задачу обработать максимальный объем информации, используя эволюционные алгоритмы. В этой новой области очень много как проблем, так и возможностей».
Углубленное изучение свойств химических связей невозможно без цифровых технологий и неразрывно связано с введением результатов в практику. Фактически, на данном этапе в химии закладываются фундаментальные основы, которые уже востребованы в конструировании новых материалов.