Научные достижения химического факультета
Функционал для расчёта
соединений актиноидов от радиохимиков МГУ вошел в состав самой известной в мире
программы для квантовых химиков
Исследователи с химического
факультета МГУ предложили алгоритм, позволяющий описать химические реакции с
участием соединений f-элементов
за относительно короткое время, без использования больших вычислительных
мощностей и с точностью, близкой к экспериментальной. В январе 2023 года все
необходимые для работы алгоритма параметры вошли в известную библиотеку .libxc,
которая используется в наиболее востребованных в мире программах для проведения
квантово-химических расчётов.
Химия актинидов – наука, на
которой основаны ядерный топливный цикл и, в заметной степени,
радиофармакология. Высокая радиоактивность актинидов серьезно ограничивает
экспериментальную работу с ними, поэтому исследователи разрабатывают новые подходы
для теоретического моделирования.
Существуют два полярных типа
подходов, используемых при вычислении структур химических веществ. Первый, полностью
теоретический, – abinitio,
который основан на решении уравнения Шрёдингера и имеющихся данных о квантовых
свойствах вещества. У него существует большое количество недостатков, основной
из которых – использование огромных вычислительных мощностей, что накладно как
по количеству затрачиваемого на расчёты времени, так и финансово. Помимо этого,
возникают сложности с учётом релятивистских эффектов.
"Можно зайти и с другой стороны,
-- рассказывает один из авторов исследования, заведующий межкафедральной
лабораторией Интеллектуального химического дизайна, с.н.с химического
факультета МГУ, к.х.н. Артём Митрофанов. – использовать
полуэмпирический подход, в основе которого лежат сведения о химических
свойствах участников реакции. В качестве входных данных используются сведения,
полученные экспериментальным путём".
Однако любые математические
модели, описывающие эмпирические данные, имеют свои ограничения, и большинство
из них не может быть использовано для f-элементов,
обладающих уникальной электронной структурой. К тому же, на сегодня лишь
небольшое количество исследовательских групп изучает именно актиноиды и
лантаниды, поэтому экспериментальных описаний веществ не хватает, чтобы построить
полуэмпирические методы вычислительной химии для расчёта соединений f-элементов.
"В идеале необходимо
использовать способ посередине между чистой теорией и чистой практикой, --
поясняет Артём Митрофанов. -- Это должен быть метод, использующий и известные
данные о f-элементах, и подходы квантовой
химии, и на балансе времени и точности надо построить рабочий инструмент для
предсказания пути протекания реакций тяжёлых элементов".
Основой для такого инструмента
может послужить DFT – теория функционала
плотности, популярная среди химиков-вычислителей. Сейчас в мире насчитывается более
200 алгоритмов-функционалов, с помощью которой предсказываются различные
свойства соединений. Их ограничения связаны с интерполяционным характером –
полноценное и правильное описать соединения актиноидов с большим количеством
электронов невозможно с достаточной точностью, поскольку разработчики существующих
подходов не рассчитывали на особенности соединений f-элементов.
Поэтому необходима разработка нового функционала с параметрами, корректно
описывающими поведение этой группы элементов. Именно такую задачу поставили себе
сотрудники кафедры радиохимии химического факультета МГУ, которые соединили
знания из квантовой химии и машинное обучение для создания метода, обладающего
как описательной, так и предсказательной силой. Исследование поддержал Российский
научный фонд (проект № 19-73-20115), и работа началась.
Действия учёных в рамках этого
проекта можно разделить на три стадии. Первой ступенью послужило создание базы
теоретически рассчитанных структур с использованием высокоточного, но сложного
в вычислениях метода связанных кластеров с необходимыми поправками. Эти данные
использовались как эталонные для проверки расчётов менее строгого, но более
быстрого создаваемого алгоритма. Оказалось, что вычисленные структуры описывают
имеющиеся в литературе данные с прекрасной точностью.
Вторым этапом стало написание
ИИ-кода, который, зная "правильные ответы" -- термодинамические параметры
известных химических реакций и геометрии различных соединений, оказался
способен подобрать параметры метода, наилучшим образом их описывающего.
"Новый функционал может создаваться
из комбинации уже существующих, их параметров и весовых коэффициентов, приписываемых
им программой. Это многопараметрическая задача, которая не решается в лоб,
перебором, поэтому мы и использовали алгоритм глобальной оптимизации", --
говорит Артём Митрофанов. Учёным удалось показать, что точность их
функционалов, которые получаются в результате таких операций, не уступает
существующим. Ещё одно немаловажное преимущество такого подхода к описанию
химии актинидов заключается в минимальной необходимости человеческого участия в
работе алгоритма. Химикам МГУ удалось создать функционал, который, не требуя
математической мощности суперкомпьютера, с экспериментальной точностью может
описывать химические взаимодействия соединений актинидов в газовой фазе.
Следующим, третьим этапом
должно было стать расширение возможностей программы на лантаниды – но
оказалось, что созданный функционал и так превосходит по точности описания
реакций f-элементов все существующие
методы. Поэтому в сотрудничестве с коллегами-разработчиками составляющих
программного обеспечения для химиков-вычислителей функционал, разработанный
российскими радиохимиками, был включен в библиотеку .libxc, и теперь
доступен в наиболее известных программах для вычислительных химических
операций, проводимых исследователями, не обладающими знаниями в области
программирования.
Автор текста: Владислава
Лаврова/пресс-служба химического факультета МГУ
Автор фото: Юлия
Чернова/пресс-служба химического факультета МГУ
Результаты исследования
опубликованы в научных изданиях по ссылкам ниже:
1) Heavy-Element Reactions Database (HERDB): Relativistic ab
Initio Geometries and Energies for Actinide Compounds
Nikolai Andreadi, Artem Mitrofanov,
Petr Matveev, Anna Volkova, Stepan
Kalmykov
Inorg. Chem. 2020, 59, 18, 13383–13389
https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c01746
2) Simple Automatized Tool for Exchange−Correlation
Functional Fitting
Artem
Mitrofanov, Vadim Korolev, Nikolai Andreadi, Vladimir Petrov, Stepan Kalmykov
J.
Phys. Chem. A 2020, 124, 2700−2707
https://doi.org/10.1021/acs.jpca.9b09093
3) A search for a DFT functional for actinide
compounds
Artem Mitrofanov,
Nikolai Andreadi,
Vadim Korolev,
Stepan Kalmykov
J.
Chem. Phys. 155, 161103 (2021)
https://doi.org/10.1063/5.0067631
