Таинства невалентного
взаимодействия открывает квантовая физика
Вроде бы уже давно известно, как выглядит вещество «изнутри»,
на глубине химических и субатомных связей. Но неисчерпаемость вещества так же,
как и атома, продолжает удивлять ученых. Вот, например, невалентные взаимодействия
до сих пор ставят в тупик исследователей. Но только не старшего научного
сотрудника, кандидата химических наук Ивана АНАНЬЕВА из Института
элементорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН. Молодой ученый,
получивший на свои исследования грант Президента России, изучает эти самые
невалентные связи с помощью теории взаимодействующих квантовых атомов.
- Иван
Вячеславович, что такое «квантовый атом»? Разве не все атомы обладают квантовыми
свойствами?
- Любой объект любого
размера можно описывать с точки зрения как квантовой физики, так и
классической. Другое дело, что для таких маленьких объектов, как атомы или
составляющие их элементарные частицы, предсказания классической физики не могут
точно согласовываться с экспериментальными данными.
Смысл термина «квантовый атом» не только в уточнении при
роды как квантовой, но и в выделении интересующей области в пространстве.
Спектры излучения свободных, не связанных с другими атомов - яркий пример
квантовых свойств. Для свободной частицы выделить область пространства,
занимаемую ею, очень просто. А что делать, если эти частицы связаны и образуют химическое
соединение, например, молекулу?
До сих пор химики представляют молекулярную структуру в виде
шариков определенного радиуса, соединенных стрежнями. Это позволяет переносить
свойства такого шарика от одного вещества к другому, описывая гигантское
количество химических соединений.
Такая модель удобна,
однако, опираясь на законы классической механики, не всегда дает даже
качественное согласие с экспериментальными данными. В частности, шаростержневая
модель приводит к «пустым» областям пространства, не отвечающим конкретным
атомам. Термин «квантовый атом» подразумевает, что мы выделяем и описываем
связанную частицу в соединении строже, используя исключительно законы квантовой
теории.
- Что такое
невалентные взаимодействия? Чем они интересны лично вам как ученому?
- Классическая химическая логика делит все химические связи
на типы, исходя из правил валентности атомов. Термин «невалентные
взаимодействия» появляется в тот момент, когда какие-то химические связи нельзя
объяснить при помощи этих правил. Простой пример - молекула воды. Согласно
правилам валентности, количество химических связей, которое может образовать
атом водорода, равно единице. Однако
атом водорода в одной молекуле воды может быть вовлечен во взаимодействие с
другой молекулой воды посредством так называемой водородной связи. Это один из
самых важных и широко известных типов невалентного взаимодействия.
Чаще всего невалентные взаимодействия характеризуются малой
прочностью и неявными геометрическими предпочтениями (проще говоря, неспособностью
задать какую-либо конкретную форму химического соединения) и этим сильно
отличаются от обычных химических связей внутри молекул. Это препятствует
использованию стандартных инструментов теоретической химии для предсказания
свойств молекулярных ассоциатов - нескольких молекул, взаимодействующих друг с
другом невалентно.
Мой интерес к невалентным взаимодействиям, в первую очередь,
обусловлен именно сложностью их описания. Можно сказать, что они в силу их
малой прочности являются пределом работоспособности химических моделей. За
последние полвека активных исследований невалентных взаимодействий был
разработан целый ряд способов их описания. Однако специфика их геометрических
предпочтений и их влияние на структуру и свойства соединений продолжают удивлять.
До сих пор не ясно, можно ли разобраться в природе этого явления, сохраняя
химическую общность формулировок, при этом не упуская точной физической
картины.
- Как вы
применяете теорию взаимодействующих квантовых атомов для изучения невалентных
взаимодействий?
- Эта теория - способ описания взаимодействий между
квантовыми атомами посредством анализа фундаментальных взаимодействий между
составляющими их элементарными частицами. Такие взаимодействия могут быть
классическими - электростатическими (притяжение разноименно и отталкивание
одноименно заряженных частиц), а могут быть чисто квантовыми (так называемое
обменное и корреляционное взаимодействия).
Если совсем просто,
то теория взаимодействующих квантовых атомов - это успешная попытка определения
обычных химических терминов («атом» и «химическая связь») на языке квантовой
физики. Используя эту теорию, мы можем глубже понять фундаментальный смысл
химических моделей и точнее очертить границы их применимости, в частности, для
изучения и предсказания невалентных взаимодействий.
Наша работа призвана, в первую очередь, ответить на вопрос,
какие пары невалентно взаимодействующих атомов характерны для устойчивых
молекулярных агрегатов/кристаллов и можно ли на основании анализа таких атомных
пар предложить простые модели, предсказывающие молекулярную агрегацию.
Если для обычных химических связей «правила игры» легко
установить на основе известных химических законов, то для невалентных
взаимодействий все менее очевидно. Хороший пример - молекула дифенила, для которой
классическая органическая химия предсказывает плоскую структуру, противоречащую
экспериментальным данным. Лишь относительно недавно стало ясно, что именно
невалентное взаимодействие между атомами водорода, которое создается
исключительно благодаря квантовым эффектам, играет решающую роль в стабилизации
неплоской структуры.
В своей работе мы
задаем более общие вопросы. Насколько сильно может меняться доля квантовых
эффектов для различных типов невалентных взаимодействий? Что в большей степени
определяет свойства невалентных взаимодействий: квантовые или классические
силы? Зависят ли от соотношения этих сил прочность взаимодействия и его
геометрические характеристики? Конечно, мы не ограничиваемся только теорией,
немалую роль в исследованиях играют и экспериментальные данные.
- Вы ожидаете каких-то результатов или в ваших
исследованиях все непредсказуемо?
- Коротко последовательность наших действий можно описать
так. Сначала - формулировка вопроса: выбор объектов, исследование которых дает
возможность ответить на этот вопрос. Затем - изучение экспериментальных данных
о строении выбранных объектов. Далее - проведение теоретических вычислений для
объяснения стабильности определенной геометрии объекта. И, наконец,
формулировка гипотезы о геометрической предпочтительности взаимодействия
определенной природы и проверка гипотезы на других объектах с использованием
методов математической статистики. Разумеется, гипотеза может оказаться
неверной. Но это - тоже ответ на вопрос или, по крайней мере, подсказка, как
переформулировать задачу.
Круг объектов исследования четко задается вопросами, на
которые мы хотим ответить в своей работе. Например, при изучении
электростатических взаимодействий нас интересуют граничные случаи, когда
электростатические взаимодействия между атомами ярко выражены (молекулы заряжены)
или, напротив, не выражены совсем.
Геометрическую информацию для выбранных объектов мы получаем
из доступных баз экспериментальных данных или с помощью рентгенодифракционных
исследований. Это эксперименты, помогающие определить координаты атомов в
кристаллах. Получив структурные данные, мы пытаемся понять, какие именно
взаимодействия и почему стабилизируют ту или иную геометрию. И в этом нам как
раз помогает теория взаимодействующих квантовых атомов. Получается такой гибридный
подход, где главная роль отдана теории, но эксперимент остается определяющим.
Мы надеемся, что нам не только удастся накопить важную информацию о специфике
конкретных типов невалентных взаимодействий, но и ответить на поставленные
вопросы, что важно в равной степени и для фундаментальной науки, и для
практических приложений. Другими словами, наша цель не только объяснить
стабильность определенных молекулярных ассоциатов, но и научиться предсказывать
их структуру и прочность.
-
Где могут применяться результаты ваших исследований?
- Самая очевидная
сфера применения наших результатов - разработка новых способов описания и
моделирования систем со слабыми взаимодействиями. Это касается лекарственных
препаратов, гибридных и слоистых материалов, наносистем, высокоэнергетических
соединений. Одна из величайших задач современной науки - предсказание
кристаллических структур «из первых принципов». Как я уже говорил, стандартная
химическая логика для предсказания невалентных взаимодействий зачастую оказывается
неудачной. С другой стороны, предсказание структуры молекулярных ассоциатов
методами квантовой физики чаще всего требует слишком много времени. Надеемся,
что наши данные будут своего рода рекомендациями для осмысленного использования
различных теоретических концепций и позволят «сэкономить» - проводить
высокоуровневые расчеты только в тех случаях, когда действительно нельзя обойтись
известными простыми моделями.