Новости

8 ноября, 2022 14:36

Физики смоделировали на суперкомпьютере водные растворы сахаров

Коллектив ученых из МФТИ, ОИВТ РАН и НИУ ВШЭ исследовал водные растворы сахарозы методами суперкомпьютерного моделирования. Моно- и полисахариды широко применяются в пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Сделанные расчеты являются отправной точкой для дальнейших прикладных исследований растворов сахаров. Результаты работы опубликованы в Journal of Molecular Liquids. Работа поддержана грантом Российского научного фонда и программой стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Источник: Lauri Andler / Wikimedia Commons

Мало кто задумывается о всей масштабности применения сахарозы, а в быту — обычного сахара, размешивая его в чашке утреннего кофе. Однако исследования этого вещества на атомарном уровне — одна из важных научных и прикладных задач: результаты таких исследований востребованы в моделировании поведения растворов, комплексной переработке продуктов и даже в исследовании процессов, протекающих в почве. 

Моно- и полисахариды широко распространены в природе. Они важны для функционирования всех живых клеток, входят в состав клеточной стенки растений и выполняют различные биологические функции. Кроме того, материалы на основе полисахаридов, в первую очередь целлюлозы, широко используются в технологических приложениях. Мембраны на основе эфиров целлюлозы, чаще всего ацетата целлюлозы, применяются при опреснении морской воды методом обратного осмоса, очистке воды от высокомолекулярных и тяжелых металлов. Эти мембраны могут использоваться в электрохимических источниках тока, таких как ячейки Red/Ox. Сахароза используется и в процессах дегидратации, которые помогают поддерживать качество пищевых продуктов. Все это делает очень важным изучение свойств водных растворов моно- и полисахаридов.

Одним из инструментов, используемых учеными для исследования свойств растворов, является метод молекулярной динамики. Данный метод с применением суперкомпьютерных ресурсов помогает изучить большое количество соединений, которое в эксперименте проверить затруднительно из-за временных и финансовых затрат. Упрощается и поиск оптимальных веществ по заданным свойствам.

Ученые из МФТИ построили достоверную модель, позволяющую с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. В атомистическом моделировании многое завязано на взаимодействии между атомами системы. Для расчетов жидкостей часто применяются потенциалы межатомного взаимодействия. Создание потенциалов — отдельное искусство: при разработке авторы ориентируются на квантово-механические расчеты, потом проверяют, насколько хорошо модель воспроизводит экспериментальные данные. Оказалось, что популярные потенциалы плохо подходят для описания динамических свойств водных растворов простых сахаров, таких как сахароза и глюкоза. 

Владимир Дещеня, магистрант МФТИ, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, рассказывает: 

«Для исследования различных физических систем все чаще применяются методы суперкомпьютерного моделирования. Точность достигаемых результатов при этом напрямую зависит от потенциала межатомного взаимодействия, который получается при помощи квантово-механических расчетов и экспериментов. Опираясь на последние улучшения различных потенциалов, описывающих взаимодействия атомов в жидкостях, мы подобрали подходящий для описания свойств раствора сахарозы в воде. Таким образом мы получили достоверную модель раствора».

Ученые применили свою модель для получения динамических и структурных характеристик водных растворов сахарозы, и результаты оказались близки к экспериментальным данным с достаточно высокой точностью. 

Одним из ключевых преимуществ модели является то, что она может быть использована для исследования не только растворов сахарозы, но и для других сахаров. Такая широкая область применимости представляет интерес для большого круга задач. Например, она открывает возможность перебора различных химических соединений для поиска оптимальных материалов мембран в Red/Ox, перспективных электрохимических элементах, которые могут использоваться в качестве аккумуляторных батарей.

«Наше исследование на атомистическом уровне проливает свет на богатство конформаций молекул сахара в растворе, дополняет эксперименты и вычисления других авторов. Отличительной чертой работы является достоверность модели, позволяющей с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. Сейчас мы собираемся использовать полученную нами модель для исследования структурных свойств именно водных растворов сахарозы. Ответ на вопрос, какие конформационные перестройки молекулы сахарозы в растворе возможны, — до сих пор предмет научных дискуссий. Вероятно, мы с коллегами проясним это в следующей работе», — поясняет Николай Кондратюк, заведующий лабораторией многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ

Расчеты были проведены на суперкомпьютере «Десмос» ОИВТ РАН, а часть данных обработана на суперкомпьютере МФТИ. 

24 января, 2023
Ученые Института катализа СО РАН создали универсальный метод синтеза теплопроводных катализаторов
Исследователи Института катализа СО РАН разработали универсальный метод синтеза высокоакти...
23 января, 2023
Машинное обучение помогло подобрать условия синтеза высокоэнтропийного карбида
Высокоэнтропийные карбиды — уникальные материалы на основе углерода и 4–6 переходных металлов IV и V...