Министерство образования Республики Беларусь УО “Белорусский Государственный Экономический Университет” Кафедра физикохимии материалов и производственных технологий Отчет По практическим занятиям по дисциплине: “Технологии цифрового производства” на тему: Дизайн химических веществ (новых соединений) с помощью программы для ПК (А.Оганов) Студентка ФМК Ефименкова Анна Егоровна 1-ый курс, ЗММ-1 В.В Гринцевич (подпись) Проверил Канд. Хим. Наук, доцент (подпись) МИНСК-2023 В.В Паневчик СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………………...3 Раздел 1 1.1 1.2 1.3 Дизайн химических веществ…………………………………………………4 Назначение и область применения дизайна химических веществ………...5 Дизайн Химических веществ в таблицах и схемах…………………………6 Раздел 2 2.1 2.2 2.3 Компьютерный дизайн новых материалов по А. Оганову …………...……9 Технология предсказания дизайна материалов……………………………10 Проблема алмаза в предсказании дизайна материалов……………..…….12 Заключение………………………………………………………………………….14 ВВЕДЕНИЕ В современном мире химическая промышленность играет важную роль в различных сферах нашей жизни. От производства лекарств и пищевых добавок до разработки новых материалов и технологий, химические вещества являются неотъемлемой частью нашего повседневного существования. Однако, разработка новых химических соединений может быть сложной и трудоемкой задачей, требующей значительных ресурсов и времени. В последние годы, с развитием компьютерных технологий, появилась возможность использовать программы для ПК в процессе дизайна химических веществ. Эти программы предоставляют ученым и исследователям мощные инструменты для моделирования и анализа химических соединений, что позволяет значительно ускорить и улучшить процесс разработки новых веществ. Одной из таких программ является программное обеспечение для дизайна химических веществ (А. Оганова), которое позволяет исследователям создавать виртуальные модели молекул и проводить различные расчеты и анализы. С помощью этих программ можно предсказывать свойства химических соединений, такие как структура, реакционная активность, термодинамические и кинетические характеристики и многое другое. Одним из основных преимуществ использования программ для дизайна химических веществ является возможность сократить время и затраты на эксперименты в лаборатории. Вместо того, чтобы проводить дорогостоящие и трудоемкие эксперименты на реальных образцах, исследователи могут использовать виртуальные модели для предварительной оценки свойств и потенциала новых соединений. Это позволяет сосредоточиться на наиболее перспективных веществах и сократить количество неудачных экспериментов. Кроме того, использование программ для дизайна химических веществ позволяет исследователям проводить более глубокий анализ и оптимизацию структуры молекулы. С помощью различных алгоритмов и методов, исследователи могут исследовать различные варианты структуры и определить оптимальные параметры для достижения желаемых свойств вещества. Это позволяет создавать более эффективные и устойчивые химические соединения. 3 1.1 Дизайн химических веществ Развитие химии, особенно в области синтеза структур органических соединений, привело к тому, что в настоящее время насчитывается уже более 10 миллионов соединений, описанных в литературе. И этот объем экспериментальных данных продолжает расти одновременно с накоплением информации о физико-химических и биологических свойствах новых веществ. Использование компьютеров и моделирования с их помощью для целенаправленного синтеза веществ с заданными свойствами имхо и есть химический дизайн. До сих пор установление достоверных зависимостей между строением химических соединений и их свойствами продолжает оставаться актуальным. Для решения этой задачи используются специальные программы и мощные компьютеры , позволяющие находить количественные корреляции "структурасвойство" В моделировании используют различные методы описания молекул. Эти методы включают в себя вычисление топологических индексов, теоретико-информационных индексов, наборов структурных фрагментов различных типов и т.п. Важным аспектом создаваемых моделей является задача выбора оптимального набора признаков (дескрипторов) молекул для расчета данного свойства, а также задача содержательной интерпретации параметров получаемых моделей Как правило, набор признаков молекул, используемый для расчета одного свойства, например, температуры кипения, существенно отличается от набора, по которому проводят вычисления другого свойства, например, липофильности веществ. Выбор признаков, адекватных данному свойству, является одной из задач химического дизайна. Программное обеспечение, используемое в хим. дизайне, можно условно разделить на два типа: модули для получения описания молекул в виде набора чисел - дескрипторов, и стандартные пакеты статистического анализа, использующие полученные описания структур из выборки для построения количественных корреляций. Результаты построений используются для оценки свойств отдельных соединений. Для химического дизайна ставятся и решаются следующие задачи: 1.Формулировка принципов организации и функционирования системы по прогнозированию свойств химических веществ. 2.Разработка алгоритма и соответствующих программ для работы с основными структурами данных системы: помеченными молекулярными графами, базами данных химических структур (БДХС), ККСС-моделями, списками дескрипторов. 3.Моделирование зависимостей "структура-свойство". 4.Создание новых соединений с заданными свойствами. 4 1.2 Назначение и область применения дизайна химических веществ Дизайн новых химических продуктов и материалов с заданными свойствами основан на управлении субмолекулярной и молекулярной сборкой (организацией) химических структур (веществ) и построении рациональных алгоритмов их синтеза и производства. Предлагаемая технология предусматривает выявление количественных связей топологии, электронного и пространственного строения молекул с их свойствами в целях компьютерного создания новых структур, отбора наиболее соответствующих заданным свойствам, их синтеза, испытания и, при необходимости, реконструкции структур с учетом минимизации затрат на производство продукта, материала. На этом этапе важным функциональным показателем становится корреляция условий синтеза и технологических принципов производства продукта, материала с его структурой. Таким образом обеспечивается резкое сокращение числа синтезируемых соединений при поиске наукоемких продуктов, материалов с заданными свойствами и возможность создания экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий. Область применения. Дизайн новых химических продуктов и материалов с заданными свойствами применяется для:производства жизненно важных лекарств и средств диагностики, экологически безопасных средств защиты животных и растений; Заказных реактивов и особо чистых продуктов и материалов нового поколения для опто- и микроэлектроники, биоинженерии, лазерной техники, средств отображения и передачи информации; Оптически прозрачных, тепло- и электропроводящих, химически-, терморадиационностойких полимеров, энергохромных материалов; Химикатов-добавок новых поколений для придания материалам и изделиям износостойкости, химической, термической, световой, магнитной, радиационной устойчивости, повышения качества и снижения затрат при производстве масел и смазок, резинотехнических, пластмассовых изделий; В текстильной промышленности, при создании новых композиционных, керамических и пожароустойчивых материалов; В строительстве, при создании новых вяжущих систем, специальных бетонов и растворов, гидроизоляционных материалов, клеев и герметиков. Для создания нового поколения люминофоров, красителей, средств очистки воды, пищевых добавок, обеспечивающих повышение питательных, вкусовых качеств продуктов питания, снижение затрат на их получение и производство. 5 1.3 Дизайн химических веществ в таблицах и схемах В целом, USPEX решает ключевую задачу теоретической кристаллохимии. Эта проблема стояла перед учеными очень давно и считалась неразрешимой. Собственно, вопрос формулируется так: какая структура будет у вещества с известным химическим составом в тех или иных условиях? Лучшие умы ломали над этим голову, а редакторы журнала Nature в свое время сокрушались, что успех так далек. Тем не менее ответ был найден. Сейчас USPEX используют многие ученые мира, и метод продолжает быстро развиваться. Кроме предсказания кристаллических структур, USPEX можно использовать и для других целей: прогнозировать структуру наночастиц, полимеров, поверхностей и 2D-кристаллов. Он может эффективно предсказывать стабильные химические соединения и структуру вещества, имея на входе только названия химических элементов. Например, ученые проанализировали с помощью алгоритма USPEX, какие соединения из марганца (Mn) и бора (B) являются стабильными, и в 2014 году опубликовали об этом статью. Они теоретически доказали, что существует необнаруженное экспериментаторами соединение — борид марганца с формулой MnB3, а также уточнили структуру MnB4. Оба положения затем полностью подтвердили экспериментально. Про это и многие другие свои открытия Артем Оганов рассказал в предновогодней лекции в Институте биоорганической химии. Структура MnB3 (слева) и MnB4 (справа). Данные получены с помощью алгоритма USPEX и опубликованы в 2014 году. Первое вещество ранее было неизвестно, структуру второго уточнили. 6 Принцип работы USPEX в табличной схеме Начало Создание перовой популяции (инициализация) Лучшие особи Мутирование Наследование Новая популяция Конец Алгоритм USPEX был протестирован вместе с другими алгоритмами и было сделано сравнение. Ниже вы можете увидеть результаты кода USPEX (эволюционных алгоритм), CALYPSO (PSO метод) и метода прыгающих минимумов для кластеров разных размеров, связанных потенциалом ЛеннардаДжонса. Методы Lj38 PSO Lj38 USPEX Lj38 MH Lj38 PSO Lj55 PSO Lj55 USPEX Lj55 MH Lj75 PSO Lj75 USPEX Процент Среднее число структур до Количество успеха (%) нахождения глобального минимума вычислений 100 605 100 100 35 183 100 1190 100 100 1649 20 100 100 100 98 100 7 159 11 190 2858 100 60 100 50 2145 53 Как мы видим из данных таблицы метод программы А Оганова (USPEX) показывает лучший результат по сравнению с другими. Пример как метод Оганова изменил медицину. Ранее 4-аминопиридин в клинике уже использовали, но ученым удалось, изменив химический состав, улучшить всасываемость этого лекарства в кровь. Они получили кристаллический гидрат 4-аминопиридина со стехиометрией 1:5. В такой форме были запатентованы само лекарство и способ его получения. Вещество улучшает выброс нейромедиаторов в нервно-мышечных синапсах, что облегчает самочувствие пациентов с рассеянным склерозом. Стоит отметить, что такой механизм подразумевает лечение симптомов, но не самого заболевания. Помимо биодоступности принципиальным моментом в новой разработке является следующее: так как удалось «заключить» 4-аминопиридин в кристалл, он стал более удобным для использования в медицине. Кристаллические вещества относительно легко получить в очищенном и однородном виде, а свобода препарата от потенциально вредных примесей — один из ключевых критериев хорошего лекарства. 8 2.1Компьютерный дизайн новых материалов по А. Оганову Артем Оганов, один из наиболее цитируемых минералогов-теоретиков мира, рассказал нам о компьютерном предсказании, которое не так давно стала достижимо. Раньше эту задачу невозможно было решить потому, что проблема компьютерного дизайна новых материалов включает в себя считавшуюся нерешаемой проблему кристаллических структур. Но благодаря стараниями Оганова и его коллег удалось приблизиться к этой мечте и ее воплотить в реальность. Почему эта задача важна: раньше новые вещества вырабатывались очень долго и с большим количеством усилий. Артем Оганов: «Экспериментаторы идут в лабораторию. Смешивают различные вещества при различных температурах и давлениях. Получают новые вещества. Измеряют их свойства. Как правило, эти вещества не представляют никакого интереса, отбраковываются. И экспериментаторы пытаются снова получить уже немного другое вещество при других условиях, с немного другим составом. И так шаг за шагом мы преодолеваем множество неудач, тратя на это годы своей жизни. Получается, что исследователи, в надежде получить один материал, тратят огромное количество усилий, времени, а также денег. Этот процесс может занять годы. Он может оказаться тупиковым и никогда не привести к открытию нужного материала. Но даже, когда он приводит к успеху, этот успех дается очень дорогой ценой». Поэтому и необходимо создать такую технологию, которая могла бы делать безошибочные предсказания. То есть не экспериментировать в лабораториях, а давать задачу компьютеру предсказать, какой материал, с каким составом и температурой будет иметь нужные свойства при определенных условиях. И компьютер, перебирая многочисленные варианты, сможет дать ответ, какой химический состав и какая кристаллическая структура будут отвечать заданным требованиям. Результат может быть и такой, что искомого материала не существует. Либо он есть и не один. И тут возникает вторая задача, решение которой пока нет: как получить этот материал? То есть химический состав, кристаллическая структура понятна, но до сих пор нет возможности его реализовать, например, в промышленных масштабах. 9 2.2Технология предсказания дизайна материалов Главное, что необходимо предсказать – это кристаллическая структура. Раньше не было возможности эту задачу решить, потому что вариантов расположения атомов в пространстве существует много. Но подавляющая их часть не представляет никакого интереса. Важны те варианты расположения атомов в пространстве, которые достаточно устойчивы и имеют нужные для исследователя свойства. Что это за свойства: высокая или низкая твердость, электропроводность и теплопроводность и так далее. Важна кристаллическая структура. «Если вы подумаете, скажем, о том же углероде, взглянем на алмаз и на графит. Химически это одно и то же вещество. Но свойства абсолютно разные. Черный сверхмягкий углерод и прозрачный сверхтвердый алмаз, – что определяет разницу между ними? Именно кристаллическая структура. Именно благодаря ей одно вещество сверхтвердое, другое – сверхмягкое. Одно является проводником практически металла. Другое является диэлектриком» - говорит А. Оганов. Для того, чтобы научиться предсказывать новый материал, нужно прежде всего научиться предсказывать кристаллическую структуру. Для этого Огановым и его коллегами в 2006-м году был предложен эволюционный подход. «В этом подходе мы не пытаемся опробовать все бесконечное множество кристаллических структур. Мы опробуем его пошагово, начиная с небольшой случайной выборки, внутри которой ранжируем возможные решения, наихудшие из которых мы отбрасываем. А из наилучших производим дочерние варианты. Дочерние варианты производятся путем различных мутаций или же путем рекомбинаций – путем наследственности, где из двух родителей мы сочетаем различные структурные особенности состава. Из этого получается дочерняя структура – дочерний материал, дочерний химический состав, дочерняя структура. Эти дочерние составы, затем также оцениваются. Например, по устойчивости или по тому химическому или физическому свойству, которое вас интересует. И те, которые были проранжированы невыгодными, мы отбрасываем. Те, которые многообещающие, получают право производить потомство. Мутацией или наследственностью мы производим следующее поколение». Так шаг за шагом ученые приближаются к оптимальному для них материалу с точки зрения данного физического свойства. Эволюционный подход в данном случае работает также, как и Дарвиновская теория эволюции, этот принцип 10 Оганов и его коллеги осуществляют на компьютере при поиске кристаллических структур, оптимальных с точки зрения данного свойства или стабильности. «Могу также сказать, что, когда мы осуществляли проработку этого метода (кстати, разработка продолжается. Она совершенствовалась все больше и больше), мы экспериментировали с разными способами эволюции. Например, мы пробовали производить одного ребенка не из двух родителей, а из трех или четырех. Оказалось, что также, как и в жизни, оптимально производить одного ребенка из двух родителей. У одного ребенка два родителя – папа и мама. Не три, не четыре, не двадцать четыре. Это является оптимумом как в природе, так и на компьютере» - говорит А. Оганов. Свой метод Оганов запатентовал, и сейчас им пользуются почти тысячи исследователей по всему миру и несколько крупнейших компаний, таких как «Intel», «Toyota» и «Fujitsu». Компания «Тойота», например, по словам Оганова, уже в течение какого-то времени с помощью этого метода изобрела новый материал для литиевых аккумуляторов, которые будут использоваться для гибридных автомобилей. 11 2.3Проблема алмаза в предсказании дизайна материалов. Считается, что алмаз, будучи рекордсменом по твердости, является оптимальным сверхтвердым материалом для всех приложений. Однако это не так, потому что в железе, например, он растворяется, а в кислородной среде при высокой температуре горит. Вообще поиск материала, который был бы тверже алмаза, волновал человечество много десятилетий. «Простой компьютерный расчет, который был проведен моей группой, показывает, что такого материала быть не может. На самом деле тверже алмаза может быть только алмаз, но в нано-кристаллической форме. Другие материалы побить алмаз по твердости ни в состоянии». Еще одно направление группы Оганова — предсказание новых диэлектрических материалов, которые могли бы послужить основой суперконденсаторов для хранения электрической энергии, а также для дальнейшей миниатюризации компьютерных микропроцессоров. «Эта миниатюризация на самом деле встречает препятствия. Потому что имеющиеся диэлектрические материалы достаточно плохо выдерживают электрические заряды. Происходит их утечка. И дальнейшая миниатюризация невозможна. Если мы сможем получить материал, который удерживается на кремнии, но в то же время имеет гораздо более высокую диэлектрическую постоянную, чем имеющиеся у нас материалы, то мы эту задачу сможем решить. И у нас есть достаточно серьезные продвижения также и в этом направлении». И последнее, что делает Оганов – это разработка новых лекарственных препаратов, то есть тоже их предсказание. Это возможно благодаря тому, что ученые научились предсказывать структуру и химический состав поверхности кристаллов. «Дело в том, что поверхность кристалла часто имеет химический состав, отличающийся от самого вещества кристалла. Структура тоже очень часто кардинальным образом отличается. И мы обнаружили, что поверхности простых, казалось бы инертных оксидных кристаллов (таких как оксид магния) содержат очень интересные ионы (такие как пероксид иона). Также они содержат группы, подобные озону, состоящие из трех атомов кислорода. Это объясняет одно крайне интересное и важное наблюдение. Когда человек вдыхает мелкодисперсные частицы оксидных минералов, которые, казалось бы, инертны, безопасны и безобидны, эти частицы играют злую шутку и способствуют развитию рака легких. В частности, известно, что канцерогенным веществом является асбест, который исключительно инертен. Так вот, на 12 поверхности такого рода минералов как асбест и кварц (в особенности кварц) могут образовываться пероксид ионы, которые играют ключевую роль в образовании и развитии рака. С помощью нашей методики можно также предсказывать условия, при которых образования такого рода частиц можно было бы избежать. То есть, есть надежда даже найти терапию и предупреждение рака легких. В данном случае, мы говорим только о раке легких. И с совершенно неожиданной стороны результаты наших исследований дали возможность понять, а может быть даже и предотвратить или излечить рак легких». Если подводит итог, то предсказание кристаллических структур может сыграть ключевую роль в дизайне материалов как для микроэлектроники, так и для фармацевтики. В целом, такая технология открывает новый путь в технологии будущего, уверен Оганов. 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе исследования темы "Дизайн химических соединений Артема Оганова" были рассмотрены основные принципы и методы, используемые в процессе разработки новых химических соединений. Артем Оганов, известный ученый и профессор, сделал значительный вклад в область дизайна химических соединений, предложив новые подходы и инновационные методы. Одним из основных достижений Артема Оганова является разработка метода предсказания структуры и свойств новых соединений с использованием компьютерного моделирования. Этот подход позволяет значительно сократить время и затраты, которые обычно требуются для синтеза и тестирования новых соединений в лаборатории. Благодаря этому методу, ученые могут более эффективно и точно выбирать потенциально полезные соединения для дальнейшего исследования. Важным аспектом дизайна химических соединений, предложенным Артемом Огановым, является использование эволюционных алгоритмов и машинного обучения для оптимизации структуры и свойств соединений. Это позволяет ученым находить новые соединения с желаемыми свойствами, такими как высокая стабильность, эффективность или специфичность действия. Также в работе Артема Оганова были рассмотрены различные подходы к дизайну химических соединений, включая использование структурных аналогов, фармакофоров и виртуального скрининга. Эти методы позволяют ученым систематически исследовать различные варианты соединений и выбирать наиболее перспективные для дальнейшего исследования. 14 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ 1. Ретропубликации проф.Кутолина С.А. с сотрудниками,химический дизайн и новые материалы, и химические продукты https://kutol.narod.ru/src/extech.ru/3-10.htm 2. Компьютерный дизайн новых материалов https://habr.com/ru/companies/postnauka/articles/204220/ 3. Книга Артема Оганова Modern Methods of Crystal Structure Prediction 4. Машинное обучение, анализ данных и нейронные сети в дизайне химических веществ с заданными свойствами https://pandia.org/text/86/101/18022.php 5. Диссертация на тему «Дизайн материалов на основе твердых растворов La1-xAgуMnO3+б», скачать бесплатно автореферат по специальности ВАК РФ 02.00.21 - Химия твердого тела https://www.dissercat.com/content/dizainmaterialov-na-osnove-tverdykh-rastvorov-la1-xagumno3b 6. Методы молекулярного компьютерного дизайна в создании современных материалов – тема научной статьи по математике читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка https://cyberleninka.ru/article/n/metody-molekulyarnogokompyuternogo-dizayna-v-sozdanii-sovremennyh-materialov 7. Лаборатория компьютерного дизайна материалов: что может дать USPEX? https://biomolecula.ru/articles/laboratoriia-kompiuternogo-dizainamaterialov-chto-mozhet-dat-uspex#source-19 8. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Comput. Phys. Commun. 184, 1172–1182. 9. Обзор — USPEX https://uspex-team.org/ru/uspex/overview
