Мы с удовольствием публикуем лучшие работы конкурса «Моя лаборатория», который провели в рамках Олимпиады Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова.
Сотворить целиком новый мир в виде планеты Пандора (рис. 1), на которой развивается действие "Аватара" стало возможным при помощи компьютерных технологий. Создание высокореалистичных компьютерных фильмов уже не фантастика. Суперкомпьютерные технологии, применяемые в играх, дают почувствовать себя профессиональным гонщиком, удачливым покорителем новых земель, непревзойденным воином-победителем!
Рис. 1 Эскизные рисунки мира Пандоры
Но могут ли помочь суперкомпьютерные технологии в решении экологических проблем? На этот вопрос я попытаюсь ответить в данной статье.
В 2010 году, после окончания школы, я поступила на химический факультет Астраханского Государственного Университета и практически сразу приступила к научно-исследовательской работе. На тот момент меня волновавала экологическая проблема, заключающаяся в пожарах на зарослях тростника в Астраханской области.
Горел на ериках камыш,
В нём заживо зверьё сгорало.
Я видела, как убегала мышь
И болью сердце моё сжималось.
Кто же додумался каждой весной
Так обращаться с природой?
Думаю, что человек этот чёрствый и злой,
А может, мы сами жестоки!
Зачем же живую природу губить?
Об этом хочу я у взрослых спросить,
Когда б у детей спросили вы
Мы запретили б вам эти палы!
Совместно с научным руководителем мы сформулировали цели моей научной работы, направленные на разработку практического использования сжигаемого в настоящий момент тростника. Мной были изучены физико-химические свойства активного угля, полученного из стеблей тростника южного (Phragmites australis). В ходе работы, выяснилось, что полученные угли обладают высокими показателями удельной поверхности и зольности. С этого момента работа приобрела конкретные очертания и трансформировалась в работы по изучению сорбционного концентрирования фенола на угольном сорбенте. Наверное, у некоторых из вас возникнет вопрос: «Почему для исследования взято такое органическое вещество как фенол?». Ответ очень прост. Фенол относится к ядовитым соединениям второго класса опасности, попадая в организм, он очень быстро всасывается через неповрежденные участки кожи и через некоторое время начинает воздействовать на ткани головного мозга. Негативному влиянию фенола подвержены также клетки растений [1]. Однако фенолы широко используются практически во всех областях промышленности. Его обнаруживают в стоках предприятий, занятых производством бензина, пластмасс, вулканизированной резины, дезинфицирующих и фармацевтических препаратов. Фенол обнаружен в питьевой воде, воздухе, в выхлопных газах автомобилей, табачном дыме, и в некоторых пищевых продуктах, к которым относятся: копченные колбасы, жареные цыплята, горный сыр [2].
Мною были проведены исследования по изучению термодинамики и кинетики сорбции фенола полученным сорбентом. В результате которых, было выявлено, что активный уголь, полученный при термической обработке измельченных стеблей Тростника Южного, является неплохим и достаточно перспективным материалом для детоксикации биологических жидкостей, и очистки сточных промышленных вод [3]. Это означало, что не нужно больше сжигать тростник, в котором прячутся животные и заживо сгорают, его можно собирать и использовать с пользой, не нанося вред окружающей среде.
Проводя исследования, я думала: «Как жалко, что мы не можем визуально увидеть, что же происходит с молекулами внутри раствора, какие процессы протекают?». Переломным моментом в ходе исследований стала поездка одним из самых снежных и морозных дней в Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Я впервые очутилась в этом храме науки. Но поразил меня не масштаб Университета, а мощная компьютерная установка, которая была предназначена для математического моделирования сложных процессов, требующих огромного количества расчетов. Я даже не могла представить, что суперкомпьютеры используются для моделирования новых эффективных лекарственных средств, снижения издержек при добыче нефти, при проектировании новых двигателей и машин. Активно применяются результаты суперкомпьютерных проектов в физике, астрономии, микробиологии, метеорологии.
Суперкомпьютер - это вычислительная машина, которая предназначена для математического моделирования сложных процессов, требующих огромного количества расчетов. Кто же предоставляет входные файлы для таких расчетов?Оказывается, существует ряд программ, которые визуализируют не только отдельные молекулы, но и комплексные соединения и сами квантово-химические расчеты.
Наконец-то стало возможным проследить за изменениями, которые протекают в молекулярной структуре, в процессе химической реакции.
Рис.2 СКИФ МГУ «Чебышев»
Я стала моделировать взаимодействия двух систем: фенола и поверхности сорбента.
Для моделирования межмолекулярного взаимодействия мною был проведен обзор квантово-химических методов исследования исходных молекул и адсорбционных комплексов, в результате чего я составила модели взаимодействия по принципам разностей электроотрицательностей (выбор электроотрицательного атома в молекуле угля и электроположительного атома в молекуле фенола, и наоборот) и по заселенностям граничных молекулярных орбиталей [4].
Для получения энергетических, зарядовых, геометрических параметров использовала квантово-химический программный пакет GAMESS US [5]. Визуализацию исходных молекул и модельных систем проводила в программе ChemCraft [6]. Вычисления проводила на суперкомпьютере Чебышев (рис. 2), который установлен в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, квантово-химическими методами PM3/RHF и 6-31 G/DFT/B3LYP.
Данные методы позволили не только смоделировать взаимодействие систем, но и обнаружить наиболее активные реакционные центры, а также прогнозировать механизмы сорбции.
На первой стадии квантово-химического моделирования мною были визуализированы молекулы фенола (рис. 3) и поверхности угля (рис.4).
 |
 |
| Рис. 3 Молекула фенола | Рис. 4 Модельная поверхность угля |
Далее смоделировала взаимодействие между молекулой фенола и модельной поверхностью сорбента в газовой фазе.
Наиболее устойчивые формы смоделированных адсорбционных комплексов представлены на рисунке 5.
 |
 |
| АК 1 | АК 2 |
 |
 |
| АК 3 | АК 4 |
 |
 |
| АК 5 | АК 6 |
В процессе образования адсорбционных комплексов происходит изменение основных параметров молекул адсорбата и адсорбента: длины связи, валентного угла и зарядов.
На основании данных, полученных при расчете с помощью суперкомпьютера Чебышев, я строила графики, проводила термодинамические расчеты, которые в последующем сравнивала с экспериментально полученными данными. Оказалось, что сопоставление модельных (RHF/PM3; 6-31 G/DFT) и экспериментальных данных позволили выявить оптимальный расчетный метод, позволяющий наиболее точно описать геометрические характеристики, полученных комплексных соединений. Наиболее точное приближение к экспериментальным геометрическим параметрам дает метод 6-31 G/DFT.
По итогам квантово-химических расчетов я смогла выделить наиболее реакционно-активные центры на поверхности модели угольного сорбента, в которые входят карбоксильные, карбонильные и гидроксильные группы. На основании проведенного исследования составила схему адсорбции фенола на поверхности угольного сорбента с указанием (→) наиболее активных центров (рис. 6).
Рис. 6 Схема адсорбции фенола на поверхности угольного сорбента
На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов мною была разработана структура базы данных в программе MS Access, которая предоставляет возможность оперативного поиска необходимой информации по физико-химическим свойствам адсорбционных комплексов «фенол – поверхность угля» и может быть полезна для специалистов, занимающихся адсорбцией веществ на поверхности угля.
Заканчивая работу, я поняла, что современная химия самым тесным образом взаимодействует с другими областями естествознания. А самое интересное в науке сегодня происходит на междисциплинарном уровне, на границах между химией, физикой, математикой и биологией.
Список использованной литературы
- Toxicological Profile for Phenol
- Харламович Г.Д. Фенолы/ Г.Д. Харламович , Ю.В. Чуркин– М.: «Химия», 1974. – 376с.
- Чухрина В.В., Золотарева Н.В. Сорбционное концентрирование фенола природным угольными сорбентами/ Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов: исследования, инновации и технологии // Материалы VII международной научно-практической конференции для молодых ученых 23-25 апреля 2013 г., стр. 88-90, 2013 г.
- Апостолова Е.С. Квантово-химическое описание реакций/Е.С. Апостолова, А.И. Михайлюк, В.Г. Цирельсон. – РХТУ им. Д.И. Менделевва. М.,1999. – 61 с.
- Gamess US
- ChemCraft
Об авторе
 |
Виктория Чухрина – бакалавр естественно-научного образования, в настоящее время обучается в магистратуре по направлению «Зеленая химия» на Химическом факультете Астраханского Государственного Университета. |
.
