Сотрудниками лаборатории термодинамики и методов математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) впервые в теоретической механике получено строгое соотношение полного углового момента и кинетической энергии свободной системы частиц (это могут быть атомы, молекулы, планетарные системы и т. д.). Полученное соотношение позволяет усовершенствовать существующие методы идентификации спектральных линий и полос как излучения, так и поглощения электромагнитных волн атомами и молекулами по характеру движений составляющих их электронов и ядер. Развитие таких методов значительно увеличивает прогностические возможности квантовой химии, столь необходимые в экспериментальных исследованиях свойств новых веществ. Современная химия не обходится без применения методов квантовой химии при изучении и создании новых химических веществ, в том числе новых лекарств. Результаты опубликованы в юбилейном сборнике Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, and Planetary Sciences издательства Springer Nature (Novosadov, 2023).

Электроны и ядра атомов – составные части любой молекулы. Волновое движение этих частиц определяет строение и химические превращения молекул. Из атомов и молекул состоит любое вещество неживой и живой природы на Земле и в космосе. Движение этих элементов материи подчиняется законам квантовой механики, которые составляют основу теоретической химической науки – квантовой химии. Задачей квантовой химии является прогноз химических свойств молекул и их реакций между собой. Как сказал лауреат Нобелевской премии Роджер Корнберг, «создание новых лекарств требует знания квантовой механики» (Рис. 1).

Теоретический прогноз строения и химических свойств молекул осуществляется методами квантовой химии, которые, если можно так выразиться, служат безопасным прибором и IT-технологией в полной опасностей для здоровья практической работе химиков, которые подчас работают с токсичными и взрывоопасными веществами. Предварительное квантовохимическое исследование строения новых веществ и их свойств позволяет экономно расходовать дорогостоящие химические препараты и быстрее находить правильные решения химических проблем, осуществляя целенаправленный, а не случайный, поиск нужных свойств веществ для промышленного использования.

Методы квантовой химии опираются на математический аппарат квантовой механики и методы математического моделирования сложных систем многих частиц. Они представляют систему искусственного интеллекта, которая реализуется в виде программного обеспечения квантовохимических исследований. Разработка более эффективных и быстрых способов расчета свойств молекул и составляет основу прогресса вычислительной химии.

В теории молекул есть ряд принципиально важных моментов для понимания механики движений атомов в молекулах. К ним относится выявление связи вращений и колебаний атомов в молекуле, которое заключено в свойствах кинетической энергии системы частиц. В данной работе впервые в механике получено строгое соотношение полного углового момента и кинетической энергии свободной системы частиц (это могут быть атомы, молекулы, планетарные системы и т. д.).

Ключевой проблемой в теории электронных оболочек атомов и молекул является задача учета так называемых корреляций движения системы электронов. В традиционных орбитальных приближениях при расчете энергии электронов не удается получать более точные значения энергии, что связано с преувеличенным вкладом энергии отталкивания электронов в общую энергию молекулы. Методы учета корреляций в движении электронов, которые ограничивают сближение электронов и позволяют более точно вычислить волновую функцию многоэлектронной системы, как раз и приводят к правильному описанию спектральных свойств молекул. Развитие таких методов значительно увеличивает прогностические возможности квантовой химии, столь необходимые в экспериментальных исследованиях свойств новых веществ.

Источник: ГЕОХИ РАН.