1. Реальная Россия
  2. Российская наука и технологии
Томск, / ИА Красная Весна

Ученые узнали способ избежать быстрого распада вещества, важного в медицине

Изображение: (cc0) It Is Me Here
Монооксид углерода
Монооксид углерода

Уникальный метод описания электронной структуры монооксида углерода (СО) с учетом изменений энергетических уровней этого вещества, играющего важную роль в молекулярной медицине, предложили сибирские ученые, 28 января сообщает пресс-служба Томского государственного университета (ТГУ).

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательского проекта «Развитие научно-технологических основ медицинской экспресс-диагностики с использованием методов молекулярного имиджинга, внешних физических факторов и машинного обучения» под руководством профессора кафедры оптики и спектроскопии физического факультета (ФФ) ТГУ Валерия Тучина.

Результаты теоретического исследования новых метастабильных состояний в оксиде углерода с использованием этого метода представлены в статье «Электронная структура возбужденных состояний в монооксиде углерода» (Electronic structure of excited states in carbon monoxide), опубликованной в журнале Solid State Communications издательства Elsevier.

Выбор монооксида углерода в качестве объекта исследования был обусловлен его значимостью для производства лекарств. В молекулярной медицине CO играет особую роль как экспериментальное и клиническое средство лечения, поскольку является в организме важным биологическим регулятором.

Одна из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории квантовой теории интенсивных полей ФФ ТГУ доктор физико-математических наук Наталия Мельникова пояснила:

«Несмотря на достижения в области наноматериалов, выделяющих монооксид углерода, всё еще не решены проблемы, связанные с их низкой стабильностью, плохой растворимостью, слабой управляемостью выделения, случайной диффузией и потенциальной токсичностью».

В последнее время исследователи в разных странах уделяют особое внимание малым кластерам, представляющим собой группы от двух до четырех атомов углерода и кислорода и обладающим высокой химической активностью. Такие нанокластеры формируются в том числе с помощью атомных пучков.

Этот способ обеспечивает высокую скорость формирования кластеров требуемой структуры и размеров и их быструю доставку к месту получения материала с заранее заданными свойствами. При этом происходит несколько сложных неравновесных процессов, сильно зависящих от внешних условий и режимов формирования кластеров. Чтобы подавить процесс объединения элементов в одну систему или распад кластеров, используется также лазерное излучение.

«По мере усложнения реакций синтеза становятся неэффективными экспериментальные методы поиска новых материалов — чаще всего путем проб и ошибок. Именно поэтому и возникает потребность в теоретическом исследовании процессов, которые происходят при формировании наноматериалов в условиях сильной неравновесности», — отметила Наталия Мельникова.

Хотя обычно теоретическое изучение электронной структуры проводится для вещества, находящегося в его основном, равновесном, состоянии, однако для науки интерес представляют и метастабильные состояния вещества (устойчивые для гомогенных систем, но не равновесные). В процессе синтеза материала такое состояние, например, возникает при его помещении в сильное магнитное или электрическое поле.

Такого рода воздействия необходимы для синтеза. Электроны в этом случае осуществляют орбитальные переходы, что приводит к образованию возбужденных структур с различным временем жизни. Однако это состояние трудно описать как теоретически, так и при экспериментальном изучении происходящих процессов.

Как указала Наталия Мельникова, для наиболее полного и глубокого понимания процессов при синтезе новых материалов в условиях сильной неравновесности необходимо теоретическое описание электронной структуры открытых систем в полях, интенсивность которых сопоставима с полями внутри атомов.

Один из авторов исследования, доцент кафедры «Современные специальные материалы» Алтайского государственного технического университета, д. ф.-м. н. Андрей Попов разработал метод описания возбужденных состояний электронов в атомах и молекулах, а также в их комплексах, кластерах и кристаллах.

С помощью этого уникального метода можно, решая уравнение Шрёдингера (позволяет определить в любой момент времени волновую функцию для частицы массы, движущейся в силовом поле), рассчитать спектральные характеристики вещества.

Метод Андрея Попова, основанный на первых принципах квантовой механики и не требующий введения каких-либо эмпирических параметров, позволяет описывать образование метастабильных состояний в условиях сильной неравновесности. Этот метод, как указали авторы статьи, «имеет потенциал для выявления новых химических связей и метастабильных структур для сборки вещества по атомам».