1763676677
2025-11-20 21:38:00
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали новую теоретическую основу, которая может значительно снизить стоимость и сложность прогнозирования энергетики химических реакций без ущерба для точности. Под руководством профессора химической и биомолекулярной инженерии. Alexander V. Mironenko Команда представляет метод, который однажды может заменить текущие вычислительные модели, используемые в квантовой химии.
В основе исследования лежит концепция, называемая независимым эталонным состоянием атома в рамках теории функционала плотности (DFT), которая предлагает новый способ расчета энергии, необходимой для разрыва химических связей. Этот расчет имеет решающее значение для понимания и проектирования химических реакций и катализаторов, способствующих их продвижению для производства пластмасс, присадок к бензину или красителей. Традиционные модели, использующие независимое эталонное состояние электрона, требуют решения сложных уравнений для описания взаимодействий электронов в молекулах, что по своей сути является сложной и дорогостоящей вычислительной задачей. Напротив, новый метод позволяет значительно упростить математические выражения, предоставляя более элегантную и доступную с точки зрения вычислений альтернативу.
«Методы прогнозирования химической активности молекул и материалов основаны на квантовой механике, отрасли науки, которая способна реалистично описывать поведение электронов в очень крошечных масштабах», — сказал Мироненко. «Обычные квантовые методы очень дороги, потому что молекулы и материалы обычно содержат много электронов, и очень сложно отслеживать их и их взаимодействия».
Чтобы сделать описание поведения электронов более управляемым, ученые обычно используют эталонное состояние, известное как приближение независимых электронов, которое предполагает, что электроны движутся независимо. Это эталонное состояние легче вычислить, но чрезмерное упрощение часто приводит к неточностям и требует сложных, трудновычислимых поправок. Чтобы справиться с чрезмерными вычислительными затратами, частью физики часто жертвуют, что, по словам Мироненко, является недостатком многих существующих эмпирических приближенных квантовых методов.
«Если вы думаете о действительно сложных математических формулах, то обычно удаляют — иногда даже произвольно — некоторые части формулы, вычисление которых, как считается, требует слишком много времени, и вводят некоторые более приблизительные выражения, чтобы сделать расчеты химической реактивности более доступными», — сказал он. «Но практическое правило таково: чем больше физики в модели, тем более прогнозируемой является эта модель. Чем меньше у нас физики – например, если мы удалим некоторые ключевые уравнения и добавим некоторые параметры – тогда модель станет менее прогнозирующей».
Мироненко указывает на класс современных инструментов искусственного интеллекта как на своевременный пример.
«Нейронные сети — это технология искусственного интеллекта, лежащая в основе распознавания лиц и речи, которую также можно использовать для расчета энергетики химических реакций», — сказал он. «Несмотря на свою огромную популярность, нейронные сети обычно математически не основаны на квантово-механических уравнениях. Следовательно, их способность к прогнозированию часто страдает, а их разработка и параметризация могут потребовать большого количества дорогостоящих квантовых вычислений».
«По сравнению с независимыми электронами это гораздо более реалистичное приближение, и корректировка его математически проста», — сказал он. «Точно так же квантовые расчеты, включающие независимое эталонное состояние атома, требуют меньше вычислительной мощности и гораздо более доступны».
Команда проверила свою модель, используя известные молекулы, такие как O2 (кислород), N2 (азот), F2 (фтор) и другие, сравнив свои прогнозы с признанными высокоточными и дорогостоящими методами. Их модель воспроизводила длины связей и энергетические кривые с большой точностью, не только соответствуя используемым в настоящее время квантовым методам, но и работая лучше в определенных случаях – особенно когда атомы находятся далеко друг от друга, а это сценарий, в котором многие модели терпят неудачу.
Эта работа основана на более ранних исследованиях Мироненко, в том числе исследование 2023 года которые исследовали определенные прототипные системы, известные как водородные кластеры. Их новая структура расширяет сферу применения более сложных молекул, обычно встречающихся в химической технологии.
“Это работа, определяющая карьеру”, – сказал Мироненко. «Если каждый последующий шаг развития окажется столь же успешным, как и наши первоначальные усилия, мы можем оказаться на пороге революции в квантово-механических вычислениях».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом под номером CHE-2154781. Аспирант Лэни Люн с помощью аспиранта Цзицина Чжуана сыграла ключевую роль в реализации теоретической модели в компьютерном коде и ее проверке.
Помимо своей должности в области химической и биомолекулярной инженерии, Мироненко связан с Химия отдел в г. Колледж свободных искусств и наук в Иллинойсе.
/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может носить характер на определенный момент времени и отредактироваться для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
#Новая #теория #повышает #скорость #точность #прогнозирования #реакций
Продолжение темы
