Так, вместе с коллегами из Гейдельбергского университета в лаборатории квантовой химии ИГУ началось теоретическое изучение процессов межмолекулярного кулоновского распада.
Межмолекулярный кулоновский распад (ICD) — это физическое явление, описание которого было впервые сформулировано на основании теоретических расчетов профессором Гейдельбергского университета Лоренцем Цедербаум в 1997 году. ICD может происходить после воздействия ионизирующего облучения. В результате такого воздействия могут запускаться цепочки процессов, многие из которых на сегодняшний день мало изучены. Теория профессора Цедербаума была доказана экспериментально только через восемь лет.
«Для теоретика очень важно, когда его предположения получают экспериментальное подтверждение. Ведь многие говорят, если бы такое явление существовало, экспериментаторы его бы давно заметили. Нужно иметь достаточную силу воли и уверенность в своих идеях, чтобы убедить других, что никто не искал или просто не обращал внимания на проявления предполагаемого процесса», — объясняет Анна.
По сей день лаборатории находятся в постоянном контакте и регулярно обмениваются данными, опубликовано несколько совместных научных статей в высокорейтинговых журналах, в том числе в 2018 году вышла статья в журнале «Nature physics».
Нельзя не отметить, что проводимые расчеты уникальны. Их можно реализовать только с использованием специального подхода — метода алгебраического диаграммного построения (ADC), который также был предложен, разрабатывается и программно реализуется в Гейдельбергском университете в сотрудничестве с нашей лабораторией.
Недавно на развитие данных исследований получен грант Российского научного фонда (РНФ) для поддержки малых научных групп, период реализации — 2023-2024 годы. В рамках проекта под руководством Анны Скитневской будет проводиться «исследование эволюции электронных состояний с вакансиями внутренних уровней в гидратированных биомолекулах».
Об исследовании простыми словами
Электронные состояния — это варианты распределения электронов в молекулярной системе. Эволюция таких состояний — изменения, происходящие во времени и возможные в том случае, когда для системы возможны более выгодные по энергии электронные состояния. Вспомните, как на уроках химии в школе мы рисовали квадратики и электроны внутри них. Тогда речь обычно шла о схематическом изображении наиболее выгодного электронного состояния, его еще называют основным, при этом какие-то квадратики оставались свободными — переход электронов в эти квадратики потребует энергии извне и будет соответствовать так называемому возбужденному состоянию. Если на систему действует большая энергия, один электрон может и вовсе покинуть ее — тогда речь идет об ионизации; при этом образуется электронная вакансия, которая может быть на «внешнем» уровне или где-то «глубже», если энергия облучения достаточно велика. В последнем случае электроны «внешних» уровней могут занимать более «глубокую» вакансию, ведь система всегда стремится к минимуму энергии, а излишки энергии будут выделяться в окружающую среду, вызывая вторичные процессы. При определенных обстоятельствах высвобождаемая энергия оказывается достаточной для ионизации соседней молекулы или атома.
Актуальность расчетов
Нарушение электронной структуры разрушительно для молекул, в том числе для биологических систем. Опасным является не только прямое облучение, вызывающее возбуждение или ионизацию, но и та энергия, которая высвобождается в ходе электронной релаксации. Оказывается, что излишки энергии могут быть израсходованы на ионизацию «внешних» уровней соседней молекулы и при этом можно избежать фрагментации той, которая была исходно ионизована. Более того, бывают процессы, — родственные межмолекулярному кулоновскому распаду, например, распад инициируемый переносом электрона, в результате которого изначально ионизованная молекула полностью возвращается в исходное состояние, а две соседние молекулы теряют электроны. Принципиальная возможность подобных процессов очень важна, когда мы говорим о биологических системах, ведь это означает, что электронная вакансия, образованная на биомолекуле в результате облучения, может быть передана, например, водному окружению. Важно понимать, как происходят такие процессы, будут ли они разрушительными или наоборот позволят сохранить целостность биомолекул.
«Как раз изучением этих закономерностей мы и занимаемся, — рассказывает Анна Скитневская. — Мы рассчитываем внести вклад в понимание механизмов повреждения и самозащиты биомолекул находящихся под воздействием облучения. Наши исследования актуальны для многих областей физики, химии, биологии, медицины и материаловедения. Могут быть полезны в фотодинамической терапии, при разработке природоподобных механизмов защиты биосистем от последствий облучения, при изучении повреждения материалов в космическом пространстве, а, значит, для разработки износостойких материалов для космической отрасли, и во многих других областях фундаментальной и прикладной науки».
