Сотрудниками лаборатории термодинамики и методов математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) впервые в теоретической механике получено строгое соотношение полного углового момента и кинетической энергии свободной системы частиц (это могут быть атомы, молекулы, планетарные системы и т. д.). Полученное соотношение позволяет усовершенствовать существующие методы идентификации спектральных линий и полос как излучения, так и поглощения электромагнитных волн атомами и молекулами по характеру движений составляющих их электронов и ядер. Развитие таких методов значительно увеличивает прогностические возможности квантовой химии, столь необходимые в экспериментальных исследованиях свойств новых веществ. Современная химия не обходится без применения методов квантовой химии при изучении и создании новых химических веществ, в том числе новых лекарств. Результаты опубликованы в юбилейном сборнике Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, and Planetary Sciences издательства Springer Nature (Novosadov, 2023).
Электроны и ядра атомов – составные части любой молекулы. Волновое движение этих частиц определяет строение и химические превращения молекул. Из атомов и молекул состоит любое вещество неживой и живой природы на Земле и в космосе. Движение этих элементов материи подчиняется законам квантовой механики, которые составляют основу теоретической химической науки – квантовой химии. Задачей квантовой химии является прогноз химических свойств молекул и их реакций между собой. Как сказал лауреат Нобелевской премии Роджер Корнберг, «создание новых лекарств требует знания квантовой механики» (Рис. 1).
Рис. 1. «Создание новых лекарств требует знания квантовой механики» (Роджер Корнберг, лауреат Нобелевской премии по химии).
Теоретический прогноз строения и химических свойств молекул осуществляется методами квантовой химии, которые, если можно так выразиться, служат безопасным прибором и IT-технологией в полной опасностей для здоровья практической работе химиков, которые подчас работают с токсичными и взрывоопасными веществами. Предварительное квантовохимическое исследование строения новых веществ и их свойств позволяет экономно расходовать дорогостоящие химические препараты и быстрее находить правильные решения химических проблем, осуществляя целенаправленный, а не случайный, поиск нужных свойств веществ для промышленного использования.
Методы квантовой химии опираются на математический аппарат квантовой механики и методы математического моделирования сложных систем многих частиц. Они представляют систему искусственного интеллекта, которая реализуется в виде программного обеспечения квантовохимических исследований. Разработка более эффективных и быстрых способов расчета свойств молекул и составляет основу прогресса вычислительной химии.
В теории молекул есть ряд принципиально важных моментов для понимания механики движений атомов в молекулах. К ним относится выявление связи вращений и колебаний атомов в молекуле, которое заключено в свойствах кинетической энергии системы частиц. В данной работе впервые в механике получено строгое соотношение полного углового момента и кинетической энергии свободной системы частиц (это могут быть атомы, молекулы, планетарные системы и т. д.).
Ключевой проблемой в теории электронных оболочек атомов и молекул является задача учета так называемых корреляций движения системы электронов. В традиционных орбитальных приближениях при расчете энергии электронов не удается получать более точные значения энергии, что связано с преувеличенным вкладом энергии отталкивания электронов в общую энергию молекулы. Методы учета корреляций в движении электронов, которые ограничивают сближение электронов и позволяют более точно вычислить волновую функцию многоэлектронной системы, как раз и приводят к правильному описанию спектральных свойств молекул. Развитие таких методов значительно увеличивает прогностические возможности квантовой химии, столь необходимые в экспериментальных исследованиях свойств новых веществ.
Источник: ГЕОХИ РАН.