Архив рубрики ~Лента новостей~

В методе моделирования новых материалов обнаружилась «слепая зона»: Химия и науки о материалах

В методе моделирования новых материалов обнаружилась «слепая зона»: Химия и науки о материалах

Графическое резюме исследования

Графическое резюме исследования

© Михаил Медведев / Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН.

Исследователи показали, что широко используемые методы квантовой химии могут не различать некоторые варианты распределения электронов в молекулах, из-за чего допускают ошибки при моделировании новых лекарств и материалов. Авторы обнаружили эту проблему и продемонстрировали ее на примере модельного набора систем с различным распределением электронов. Открытие поможет усовершенствовать инструменты для описания химических реакций и новых материалов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Chemical Theory and Computation.

Для моделирования новых лекарств и материалов ученые используют методы квантовой химии. Одним из наиболее распространенных инструментов для вычисления свойств молекул служит теория функционала плотности. В рамках этого метода считается, что строение электронной плотности — совокупности всех взаимодействующих между собой электронов — определяет ее свойства и энергию, то есть главную характеристику вещества. Именно энергия определяет его структуру, а также показывает, будет ли протекать та или иная химическая реакция и, если да, то с какой скоростью.

Точная математическая зависимость между плотностью электронов и энергией молекулы пока неизвестна, поэтому ученые разрабатывают приближенные выражения — функционалы плотности. За последние десятилетия было разработано множество таких приближений, среди которых наиболее популярны мета-GGA-функционалы. Они применяются в тысячах исследований, поскольку представляют собой удачный компромисс между точностью и скоростью расчета. Тем не менее, многие современные мета-GGA-функционалы имеют серьезные недостатки, связанные с точностью предсказаний.

Исследователи из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) обнаружили, что большинство мета-GGA функционалов не способно различить системы со сферической электронной плотностью с кардинально разным поведением. Это говорит о недостатке информации об электронной плотности, который значительно снижает достоверность моделирования.

Ученые показали эту проблему с помощью набора модельных электронных систем. Например, атом аргона и молекула фуллерена — сфера из атомов углерода — на определенном расстоянии от их центра имеют близкие значения градиента электронной плотности, то есть электронная плотность в них меняется одинаково быстро. Разница в том, что при отдалении от ядра аргона плотность уменьшается, а внутри фуллерена, наоборот, увеличивается — так как внутри его углеродного каркаса есть полость, в которой электронов почти нет. Многие функционалы не в силах различить эти два случая — возрастающий и спадающий. Это — их «слепое пятно». Это означает, что предсказание свойств новых лекарств и материалов с помощью функционалов плотности становится неточным.

«Как человек может не различать два разных цвета из-за ограничений в восприятии оттенков сетчаткой глаза (например, пурпурный и фиолетовый), так и функционал может не различать разные электронные плотности, которые должны иметь разные энергии. Оказалось, что большинство функционалов страдают от "слепого пятна". Это говорит о том, что необходимо использовать больше информации о плотности при конструировании новых функционалов. К счастью, с современными методами ИИ это становится проще, чем когда либо», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Медведев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник группы теоретической химии Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН.

Открытие говорит о том, что нужно использовать больше информации об электронной плотности, чтобы повысить точность вычислений. В качестве функционала может использоваться нейросеть — она автоматически выявляет сложные закономерности, в том числе то, как связаны численно выраженные свойства электронной плотности с энергией.

«Предложенные нами модельные электронные распределения будут использоваться в качестве тестов при разработке новых функционалов плотности. Это поможет создать более точные методы моделирования химических процессов и материалов. В дальнейшем мы планируем разработать нейросетевые функционалы плотности — конечно, уже без этого слепого пятна», — подводит итог участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Антон Леонов, студент Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Ранее ученые разработали новый подход на основе квантово-химических расчетов и машинного обучения, который быстро и эффективно обнаружил ранее неизвестные стабильные геометрии биологически значимых молекул, таких как пептиды и лекарственные соединения.

Источник: indicator.ru

Оцените материал:

Поделиться
Понравилась статья? Расскажите другим
ВКонтакте
Читайте также
Новости робототехники Robust.AI выбирает датчик Aptiv PULSE для местной роботы Carter третьего поколения Новости робототехники Hirebotics предлагает взрывозащищенный кобот для покраски без кода Новости робототехники Великие роботы, компании-неудачники: основы бизнеса, стартапы по автоматизации для получения результатов Архив рубрики ~Обо всем~ 10 технологий, которые были “убийцами всего”, но провалились Новости робототехники Институт расширения ARM RoboticsCareer.org за счет физического искусственного интеллекта Архив рубрики ~Обо всем~ Машины, созданные по образцу работы мозга, справляются с математикой лучше, чем ожидалось. Новости робототехники Демонстрация роботизированных технологий НАСА позволит усовершенствовать прототипы детекторов гамма-излучения. Архив рубрики ~Обо всем~ 70% компаний, внедряющих ИИ-агентов для обслуживания клиентов, видят окупаемость инвестиций в течение 60 дней. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Исследователи Microsoft представили SkillOpt — систему, которая позволяет AI-агентам постепенно… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Инструменты дня 📅 Планируемая Он подключается к Клоду и отправляет… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Codex может убивать SSD логами У Codex нашли неприятный баг:… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ PrompTessor превращает промптинг в тренажёр, а не гадание Нашли сервис… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ 💯 Исследователи проверили, способны ли современные AI-агенты самостоятельно изучать незнакомую… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ ✅ GitHub объявила о постепенном возобновлении регистрации на персональные тарифы… Новости робототехники Robust.AI выбирает датчик Aptiv PULSE для местной роботы Carter третьего поколения Новости робототехники Hirebotics предлагает взрывозащищенный кобот для покраски без кода Новости робототехники Великие роботы, компании-неудачники: основы бизнеса, стартапы по автоматизации для получения результатов Архив рубрики ~Обо всем~ 10 технологий, которые были “убийцами всего”, но провалились Новости робототехники Институт расширения ARM RoboticsCareer.org за счет физического искусственного интеллекта Архив рубрики ~Обо всем~ Машины, созданные по образцу работы мозга, справляются с математикой лучше, чем ожидалось. Новости робототехники Демонстрация роботизированных технологий НАСА позволит усовершенствовать прототипы детекторов гамма-излучения. Архив рубрики ~Обо всем~ 70% компаний, внедряющих ИИ-агентов для обслуживания клиентов, видят окупаемость инвестиций в течение 60 дней. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Исследователи Microsoft представили SkillOpt — систему, которая позволяет AI-агентам постепенно… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Инструменты дня 📅 Планируемая Он подключается к Клоду и отправляет… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Codex может убивать SSD логами У Codex нашли неприятный баг:… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ PrompTessor превращает промптинг в тренажёр, а не гадание Нашли сервис… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ 💯 Исследователи проверили, способны ли современные AI-агенты самостоятельно изучать незнакомую… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ ✅ GitHub объявила о постепенном возобновлении регистрации на персональные тарифы…

Оставить комментарий