Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН выяснили, что органические кристаллы с бромом могут стать своеобразным «стресс-тестом» для современных вычислительных методов в химии. Работа показала, что разные подходы к моделированию таких соединений нередко дают заметно отличающиеся результаты, а значит, расчеты требуют дополнительной проверки.
Исследование опубликовано в журнале Molecules.
Когда компьютер ошибается чаще обычного
Ученые сравнили четыре популярных метода квантово-химических расчетов, применяемых для изучения органических кристаллов с атомами брома и хлора. Если для хлорсодержащих соединений результаты разных моделей были относительно близкими, то в случае брома расхождения оказались существенно выше.
По словам авторов исследования, это означает, что бромированные кристаллы особенно чувствительны к неточностям вычислений. Поэтому их можно использовать как тестовые системы для проверки надежности новых расчетных подходов.
Такая проверка важна не только для фундаментальной науки. Ошибки в моделировании способны привести к неверному прогнозу свойств материалов — от лекарственных препаратов до органической электроники.
Почему бром оказался столь «чувствительным» элементом
Бром относится к тяжелым галогенам, а электроны вблизи его атомов движутся с учетом релятивистских эффектов. Из-за этого моделировать поведение таких систем значительно труднее, чем соединений с более легкими галогенами (фтором и хлором).
Похожие проблемы ученые наблюдают и в исследованиях двумерных материалов и сложных металлических кластеров. Например, при изучении графена и ультратонких магнитных кристаллов исследователям также приходится учитывать квантовые эффекты, иначе расчеты перестают совпадать с экспериментальными данными.
Авторы считают, что использование «проблемных» кристаллов в качестве эталонных образцов поможет быстрее улучшать вычислительные методы и повысить доверие к цифровому проектированию новых веществ.
Вызовы химического моделирования
Сегодня химики все чаще создают новые материалы сначала «в компьютере» (in silico), а уже потом синтезируют их в лаборатории. Такой подход позволяет экономить годы исследований и миллионы долларов, однако точность моделей становится критически важной.
На рынок нельзя вывести соединение, чья структура не расшифрована. Если нам нужно предсказать строение какого-то кристалла, то мы можем посчитать энергии потенциальных структур сначала более простыми и быстрыми методами, определить нескольких кандидатов и затем применить уже более долгие, сложные и точные методы для заключительной работы. Однако если на первом этапе вкралась ошибка, то мы уже никогда не выясним структуру такого кристалла, ведь он окажется за пределами тех кандидатов, энергии которых будут уточнены более продвинутыми методами. Именно поэтому важно понимать ограничения методов и выбирать для работы наиболее подходящие.
О компьютерном моделировании новых лекарственных препаратов мы рассказали здесь.
