Исследователи из итальянского центра ISTM-CNR, МФТИ и университета Милана экспериментально подтвердили модель, позволяющую изучать поведение электронов внутри молекулы или кристалла, сообщает пресс-служба МФТИ. Химики, статья которых была опубликована в журнале Acta Crystallographica, указывают на возможность применить свое открытие в самых различных областях — от создания металлоорганических соединений до изучения биологических систем.
© Артем Геодакян/ТАСС
Электроны в молекулах
Электроны — квантовые объекты, поэтому нельзя точно определить, где они находятся. Из-за этого поведение электронов нельзя описать уравнениями, которые хорошо работают для обычных, не-квантовых, объектов: вместо электрона как «шарика» внутри молекулы приходится рассматривать размытое «облако». К тому же, существуют «делокализованные электроны» — то есть такие, которые не привязаны к одному отдельному атому, а сразу к нескольким, тем самым формируя химические связи между ними. Разработать математическую модель, позволяющую сравнительно быстро и при этом точно предсказать распределение электронов — одна из актуальных задач современной науки.
«Главное нововведение модели — это возможность обнаруживать и изучать делокализованные электроны экспериментально. Прежние подходы описывали эффект делокализации, краеугольный камень химии, на основе данных, которые нельзя непосредственно измерить. Наши исследования помогут принципиально по-новому взглянуть на этот феномен,» — пишет Габриэле Салех, один из соавторов статьи.
Канадский ученый Ричард Бадер и итальянский исследователь Карло Гатти в 1998 году предложили модель распределения электронов, с точки зрения которой молекула (или кристалл) — это набор отдельных элементов, каждый из которых вносит вклад в итоговое распределение. Подобный подход, как показали последующие исследования, хорошо описывает водородные, металлические, лигандные и прочие виды химических взаимодействий.
От теории к практике
В 2016 году Карло Гатти, Габриэле Салех (сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ) и Леонардо Ло Прести из университета Милана продемонстрировали новый способ применения модели Бадера- Гатти в области изучения химических связей. Ученые направляли пучок рентгеновских лучей на образец. По тому, как лучи рассеивались в образце и в какую сторону отклонялись частицы, ученые сделали выводы о распределении электронов внутри кристалла. Результаты исследования показывают, что модель Бадера-Гатти можно использовать для описания тонких эффектов, связанных с делокализацией электронов в органических молекулярных кристаллах.
Моделирование молекул и кристаллов — важная как с теоретической, так и прикладной точки зрения задача. Данные о расположении электронов нужны и для поиска лекарств (позволяют выяснить, какие именно молекулы могут «подобраться» к белку-мишени и вступить с ним в реакцию), и для расчёта характеристик материалов, образованных теми или иными молекулами.
Дальнейшие исследования позволят создавать органические магниты, которые обладают более гибкими свойствами, а также дешевле в изготовлении, чем металлические.
Источник: ИТАР-ТАСС
