Исследователи с химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова предложили алгоритм, позволяющий описать химические реакции с участием соединений f-элементов за относительно короткое время, без использования больших вычислительных мощностей и с точностью, близкой к экспериментальной. В январе 2023 года все необходимые для работы алгоритма параметры вошли в известную библиотеку .libxc, которая используется в наиболее востребованных в мире программах для проведения квантово-химических расчётов.

Химия актинидов – наука, на которой основаны ядерный топливный цикл и, в заметной степени, радиофармакология. Высокая радиоактивность актинидов серьезно ограничивает экспериментальную работу с ними, поэтому исследователи разрабатывают новые подходы для теоретического моделирования.

Существуют два полярных типа подходов, используемых при вычислении структур химических веществ. Первый, полностью теоретический, ab initio, основан на решении уравнения Шрёдингера и имеющихся данных о квантовых свойствах вещества. У него существует большое количество недостатков, основной из которых – использование огромных вычислительных мощностей, что накладно как по количеству затрачиваемого на расчёты времени, так и финансово. Помимо этого, возникают сложности с учётом релятивистских эффектов.

«Можно зайти и с другой стороны, – поясняет один из авторов исследования, заведующий межкафедральной лабораторией интеллектуального химического дизайна, с.н.с. химического факультета МГУ, к.х.н. Артём Митрофанов, – использовать полуэмпирический подход, в основе которого лежат сведения о химических свойствах участников реакции. В качестве входных данных используются сведения, полученные экспериментальным путём».

Однако любые математические модели, описывающие эмпирические данные, имеют свои ограничения, а большинство из них не может быть использовано для f-элементов, обладающих уникальной электронной структурой. К тому же на сегодня лишь небольшое количество исследовательских групп изучает именно актиноиды и лантаниды, поэтому экспериментальных описаний веществ не хватает, чтобы построить полуэмпирические методы вычислительной химии для расчёта соединений f-элементов.

«В идеале необходимо использовать способ посередине между чистой теорией и чистой практикой, – добавляет Артём Митрофанов. – Это должен быть метод, использующий и известные данные об f-элементах, и подходы квантовой химии, и на балансе времени и точности надо построить рабочий инструмент для предсказания пути протекания реакций тяжёлых элементов».

Основой для такого инструмента может послужить DFT – теория функционала плотности, популярная среди химиков-вычислителей. Сейчас в мире насчитывается более 200 алгоритмов-функционалов, с помощью которых предсказываются различные свойства соединений. Их ограничения связаны с интерполяционным характером: полноценно и правильно описать соединения актиноидов с большим количеством электронов невозможно с достаточной точностью, поскольку разработчики существующих подходов не рассчитывали на особенности соединений f-элементов. Поэтому необходима разработка нового функционала с параметрами, корректно описывающими поведение этой группы элементов. Именно такую задачу поставили себе сотрудники кафедры радиохимии химического факультета МГУ, которые соединили знания из квантовой химии и машинное обучение для создания метода, обладающего как описательной, так и предсказательной силой. Исследование поддержал Российский научный фонд (проект №19-73-20115), и работа началась.

Действия ученых в рамках этого проекта можно разделить на три стадии. Первой ступенью послужило создание базы теоретически рассчитанных структур с использованием высокоточного, но сложного в вычислениях метода связанных кластеров с необходимыми поправками. Эти данные использовались как эталонные для проверки расчётов менее строгого, но более быстрого создаваемого алгоритма. Оказалось, что вычисленные структуры описывают имеющиеся в литературе данные с прекрасной точностью.

Вторым этапом стало написание ИИ-кода, который, зная «правильные ответы» – термодинамические параметры известных химических реакций и геометрии различных соединений, оказался способен подобрать параметры метода, наилучшим образом их описывающего.

«Новый функционал может создаваться из комбинации уже существующих, их параметров и весовых коэффициентов, приписываемых им программой. Это многопараметрическая задача, которая не решается в лоб, перебором, поэтому мы и использовали алгоритм глобальной оптимизации», – рассказывает Артём Митрофанов. Учёным удалось показать, что точность их функционалов, которые получаются в результате таких операций, не уступает существующим. Ещё одно немаловажное преимущество такого подхода к описанию химии актинидов заключается в минимальной необходимости человеческого участия в работе алгоритма. Химикам МГУ удалось создать функционал, который, не требуя математической мощности суперкомпьютера, с экспериментальной точностью может описывать химические взаимодействия соединений актинидов в газовой фазе.

Следующим, третьим этапом должно было стать расширение возможностей программы на лантаниды. Но оказалось, что созданный функционал и так превосходит по точности описания реакций f-элементов все существующие методы. Поэтому в сотрудничестве с коллегами-разработчиками программного обеспечения для химиков-вычислителей функционал, разработанный российскими радиохимиками, был включен в библиотеку .libxc и теперь доступен в наиболее известных программах для вычислительных химических операций, проводимых исследователями, не обладающими знаниями в области программирования.