راز معمای بزرگ شیمی حل شد!

پژوهشگران دانشگاه فناوری وین (TU Wien) موفق به حل یکی از معما‌های دیرینه شیمی نظری شدند. 

به گزارش برنا، آنان با توسعه روشی محاسباتی نوین توانستند نیرو‌های بین مولکول‌های بزرگ را با دقتی بی‌سابقه محاسبه کنند؛ گامی مهم که درک دقیق‌تر سیستم‌های زیستی و پیشرفت فناوری‌های مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر را ممکن می‌سازد. نتایج این تحقیق در نشریه‌ی Nature Communications منتشر شده است.

راز پیوند‌های ضعیف مولکولی

پدیده‌هایی مانند توانایی راه رفتن مارمولک‌ها روی دیوار یا مایع شدن نیتروژن در دمای منفی ۱۹۶ درجه سانتی‌گراد همگی با نیرو‌های واندروالس (van der Waals) مرتبط هستند؛ نیرو‌هایی ضعیف و در عین حال حیاتی که میان مولکول‌ها وجود دارند. این نیرو‌ها به‌رغم اهمیتشان، به‌دلیل ماهیت پیچیده‌شان همواره محاسبه دشواری داشته‌اند و روش‌های مختلف محاسباتی در سال‌های گذشته نتایج متناقضی ارائه داده‌اند.

اکنون پژوهشگران TU Wien این تناقض را برطرف کرده‌اند. به گفته‌ی آنان منبع اصلی خطا، برخلاف انتظار، همان روشی بود که سال‌ها به‌عنوان استاندارد طلایی در شیمی کوانتومی شناخته می‌شد؛ یعنی روش Coupled-Cluster. بررسی‌ها نشان داد که این روش انرژی پیوندی میان مولکول‌های بزرگ و بسیار قطبیده را به‌طور سیستماتیک بیش‌از‌حد برآورد می‌کرده است.

تصحیح یک اشتباه قدیمی

توبیاس شفر (Tobias Schafer) و آندریاس ایرملر (Andreas Irmler)، نویسندگان اصلی این پژوهش، در کنار الخاندرو گالو (Alejandro Gallo) و آندریاس گرونیس (Andreas Grüneis)، رهبر گروه تحقیقاتی، روش‌های مختلف را مقایسه کردند. آنان توضیح می‌دهند که برای توصیف پیوند‌های بین مولکول‌های بزرگ معمولا دو رویکرد رایج وجود دارد: یکی شبیه‌سازی Quantum Monte Carlo که در آن رایانه پیکربندی‌های مختلف الکترون‌ها را بررسی و تنها حالت‌های پایدار از نظر انرژی را حفظ می‌کند، و دیگری روش Coupled-Cluster که ابتدا حالت‌های کم‌انرژی مولکول را مدل‌سازی کرده و سپس حالت‌های پرانرژی را به‌صورت تصحیحی به آن اضافه می‌کند.

شفر در توضیح یافته‌های جدید می‌گوید: روش Coupled-Cluster سال‌ها معیار اصلی دقت در شیمی نظری محسوب می‌شد. اما هرچه بیشتر داده‌ها را مقایسه کردیم، متوجه شدیم که انحراف‌های کوچکی در نتایج آن نسبت به شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو وجود دارد و هیچ‌کس علت آن را نمی‌دانست. اکنون پاسخ این پرسش مشخص شده است: این روش انرژی پیوندی را در مولکول‌های بزرگ بیش از مقدار واقعی تخمین می‌زد.

ایرملر نیز افزود: ما نسخه‌ی بهبود‌یافته‌ای از این روش ارائه کرده‌ایم که این انحراف را بدون افزایش قابل‌توجه در هزینه‌ی محاسباتی، تصحیح می‌کند. با این اصلاح، نتایج ما هم‌راستا با داده‌های به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی‌های کوانتومی مونت‌کارلو قرار گرفته است.

اهمیت برای مولکول‌های بزرگ و کاربرد‌های صنعتی

به گفته‌ی الخاندرو گالو این پیشرفت برای مطالعه‌ی مولکول‌های بزرگ، که تا صد‌ها اتم دارند، اهمیت زیادی دارد. او توضیح می‌دهد: هرچه ابعاد سیستم افزایش یابد، محاسبات سنگین‌تر می‌شود و حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان نیز با محدودیت مواجه می‌شوند؛ بنابراین به روش‌های تقریبی بسیار دقیق نیاز داریم تا بتوانیم رفتار واقعی مولکول‌ها را پیش‌بینی کنیم.

مولکول‌های بزرگ نقشی حیاتی در زمینه‌های مختلفی از پژوهش‌های مواد تا توسعه‌ی دارو‌ها ایفا می‌کنند. شفر در این باره می‌گوید: برای مثال اگر بخواهیم بفهمیم یک دارو درون قرص چگونه متبلور می‌شود، یا چگونه یک ماده می‌تواند هیدروژن را برای ذخیره‌ی انرژی جذب و نگه دارد، باید نیرو‌های واندروالس را با دقت بسیار بالا مدل‌سازی کنیم.

پلی میان نظریه و کاربرد

به گفته‌ی گرونیس از موسسه‌ی فیزیک نظری دانشگاه فناوری وین روش جدید تنها به بهبود محاسبات سنتی محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند به‌عنوان داده‌ی مرجع برای آموزش مدل‌های هوش مصنوعی نیز مورد استفاده قرار گیرد. این مدل‌ها در حال حاضر برای طراحی مواد و دارو‌های جدید در محیط‌های مجازی به کار گرفته می‌شوند.

او می‌افزاید: ما با این پژوهش پلی میان دقت نهایی و قابلیت استفاده‌ی عملی ایجاد کرده‌ایم. نتایج ما نشان می‌دهد که حتی روش‌هایی که سال‌ها پذیرفته شده و تثبیت‌شده‌اند نیز باید همگام با نیاز‌های فزاینده‌ی پژوهش مدرن بازنگری شوند.

این دستاورد چشم‌انداز تازه‌ای برای علوم مواد، شیمی نظری و مدل‌سازی محاسباتی می‌گشاید و گامی بزرگ به‌سوی شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر در دنیای مولکولی به شمار می‌رود.

انتهای پیام/