Познают тайны химии на молекулярном уровне студенты химического и физического факультетов Иркутского государственного университета. Открытая в этом году в рамках конкурса Минобрнауки России лаборатория квантовохимического моделирования молекулярных систем (ЛКХММС) при научно-исследовательской части ИГУ позволяет делать это с использованием самого современного компьютерного оборудования и предоставляет возможность для трудоустройства обучающихся.
Новую лабораторию по праву можно назвать молодежной. Почти три четверти сотрудников — молодые ученые, в том числе и студенты. В настоящее время в ЛКХММС работают шесть студентов и один аспирант. Три бакалавра химического факультета работают в должностях лаборантов-исследователей и уже сейчас нарабатывают научный стаж. В этом году, несмотря на введенные ограничительные меры, они смогли полностью завершить свои выпускные квалификационные работы и защитить их на «отлично».
— Пандемия коронавируса внесла значительные коррективы в нашу работу, однако использование вычислительных машин в режиме удаленного доступа позволило нам не останавливать работу ни на один день. Ярким примером могут послужить наши нынешние выпускники-бакалавры, сумевшие в срок завершить основные этапы своих исследований, которые в будущем лягут в основу новых научных статей, — отметил руководитель лаборатории, канд. хим. наук Владимир Орел.
Три магистранта и аспирант ведут свои исследования на должностях младших научных сотрудников. Уже сейчас им можно доверить начальную подготовку только приходящих в лабораторию студентов. А поучиться есть чему: в самом начале новичку нужно будет освоить работу в среде Linux, изучить компьютерные команды и разобраться в способах работы с квантовохимическими программами, научиться четко и правильно фиксировать полученные результаты в таблицах Excel.
— На самом деле, с нынешними вычислительными мощностями не так сложно рассчитать геометрические и энергетические характеристики молекул. Намного важнее и сложнее потом из полученных цифр извлечь ту самую химическую и физическую природу явлений. Разве химикам-экспериментаторам интересны наши цифры? Им, как и нам, теоретикам, важна суть процесса. В моделировании химических реакций это может быть объяснение образования тех или иных продуктов, а с учетом выхода квантовой химии на уровень «химической точности» — прогнозирование возможных взаимодействий между молекулами. В области моделирования спектральных характеристик молекул можно объяснить, почему одно соединение может испускать свет, а другое — нет, и, опять же, прогнозировать подобные явления. Интерпретация результатов — это искусство, от которого можно и нужно получать удовольствие, — рассказывает основатель иркутской школы квантовых химиков, научный наставник лаборатории, д-р хим. наук, профессор Надежда Витковская.
Вести свои научные разработки без соответствующего оборудования было бы невозможно. С этим в лаборатории все в порядке — уже сейчас в распоряжении сотрудников ЛКХММС самый мощный парк вычислительных машин в ИГУ, который вскоре планируется удвоить. Современные компьютеры с мощными процессорами (20 физических и 20 виртуальных ядер) будут закуплены на средства гранта и уже до конца года будут введены в строй.
Работа лаборатории ведется по двум основным направлениям: разработка и программная реализация вычислительных методов квантовой химии и их приложение к химическим проблемам, связанным с электронным строением и реакционной способностью молекул. Исследования выполняются в тесном сотрудничестве с Иркутским институтом химии им. А.Е. Фаворского СО РАН и Гейдельбергским университетом (Германия).
Студенты-химики занимаются моделированием механизмов химических реакций органических молекул. Так, выпускница бакалавриата 2020 года, лаборант-исследователь Анастасия Прадедова моделирует процесс образования Δ2-изоксазолинов из относительно простых строительных блоков органической химии: кетонов, ацетиленов и гидроксиламина.
— Соединение, механизм образования которого я исследую, обладает потенциально высокой биологической активностью: родственные ему молекулы уже показали себя как лекарственные препараты при лечении туберкулеза и диабета, другие его аналоги эффективны в качестве инсектицидов и гербицидов. Хотя сотрудники института химии получили это соединение экспериментально, было не совсем ясно, как при взаимодействии веществ A, B и C получается сложная циклическая молекула D, через какие стадии химических взаимодействий проходят эти соединения. Понимание внутренней логики этих взаимодействий в идеале позволит управлять и настраивать реакцию, чтобы увеличивать выходы целевых продуктов. В этом году я планирую поступить в магистратуру химического факультета и продолжить свою работу в лаборатории, — говорит Анастасия.
Выпускник магистратуры ИГУ Дамир Абсалямов, младший научный сотрудник лаборатории, тоже планирует продолжить изучение механизмов химических реакций, но уже в качестве аспиранта.
— Работа в коллективе квантовых химиков с 2017 года помогла мне добиться хороших результатов: сейчас в моем активе уже 3 научных статьи, в которых я соавтор, еще одна сейчас проходит процедуру рецензирования. Трудоустройство в лаборатории дало мне хорошую финансовую поддержку, потому что я живу в Ангарске, и затраты на транспорт «съедали» всю стипендию. Сегодня, забрав диплом магистра с отличием из деканата химфака, я уверен в своем будущем, и оно связано с работой в лаборатории, — сказал Дамир.
Руководитель лаборатории Владимир Орел отметил, что работа есть не только для химиков, но и для физиков. Так, группа д-ра хим. наук, проф. РАН Александра Трофимова занимается развитием методов изучения электронной структуры атомов и молекул, основанных на теории функций Грина, а также программной реализацией и применением разработанных методов для решения различных задач квантовой химии и молекулярной спектроскопии. Магистрант, младший научный сотрудник Эмма Григоричева рассказала, как она попала в коллектив лаборатории, и чем же занимаются физики в ЛКХММС:
— Мне еще со школы были интересны и физика, и химия, но о последней многие говорили исключительно как о вредной для здоровья экспериментальной науке (что на самом деле оказалось не так), поэтому я выбрала физический факультет ИГУ. Химия даже спустя время меня не отпустила, поэтому, когда я узнала о существовании лаборатории квантовой химии, решила попробовать свои силы там. Опыт и знания, полученные на физическом факультете, помогли мне в моей работе, ведь квантовая химия — наука на стыке физики и химии. В группе Александра Борисовича Трофимова я занимаюсь теоретическим моделированием фотоэлектронного спектра катион-радикала пиридина, который образуется при отрыве от нейтральной молекулы одного электрона. Мы исследуем природу электронных состояний, получающихся при удалении электрона с самых верхних энергетических уровней, и главная наша задача — рассмотреть влияние этих состояний друг на друга. Такое взаимное влияние (вибронное взаимодействие) может сказываться на реакционной способности молекулы, и это очень важно, т.к. пиридиновая кольцевая система содержится во многих биологических соединениях, таких как алкалоиды, витамины и ферменты, а также входит в состав более семи тысяч существующих лекарств. Сейчас я учусь в магистратуре химического факультета, было трудно перестроиться, но вскоре, надеюсь, стану магистром химии при имеющейся специальности бакалавра физики.
Квантовые химики ежегодно приглашают заниматься научными исследованиями студентов химического и физического факультетов. Как отмечает Надежда Витковская, «…студенты в нашей лаборатории не выполняют лабораторных работ, перед ними ставится актуальная научная проблема, требующая решения». Несомненным преимуществом является возможность дальнейшего трудоустройства в лаборатории на научную ставку и продолжение исследовательской работы уже в качестве сотрудника Иркутского государственного университета.
Сейчас сотрудники лаборатории квантовохимического моделирования молекулярных систем уходят в летние отпуска, но надеются, что уже в сентябре весь коллектив соберется, чтобы с новыми силами продолжить постигать удивительные тайны химической науки.
Справка
Лаборатория квантовохимического моделирования молекулярных систем НИЧ ИГУ создана в рамках гранта Министерства науки и высшего образования РФ, выигранного в начале 2020 года (20 млн рублей). Основная задача лаборатории — разработка и применение неэмпирических методов и моделей квантовой химии для исследования строения, свойств и реакционной способности молекул в основном и возбужденных состояниях. ЛКХММС является приемником и продолжателем исследований Лаборатории квантовой химии и иркутской школы квантовых химиков, в рамках которой защищено 17 кандидатских и 4 докторские диссертации. Ученики школы в настоящее время работают в университетах и институтах России, США, Германии, Израиля.
