ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 1, с. 3-14
УДК 577.4:551.510.42:574.9:550.3
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ИНЖЕНЕРИИ И ВЕЙВЛЕТНО-МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕКСТУРЫ НАНОМАТЕРИАЛОВ © 2011 г. П. Д. Саркисов, О. Б. Бутусов*, В. П. Мешалкин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва * Московский государственный университет инженерной экологии butusov-1@mail.ru Поступила в редакцию 17.03.2010 г.
Проведен анализ современных компьютерных инструментальных средств молекулярной инженерии и возможности их использования для разработки текстуры новых наноматериалов. Предложен вейвлетно-морфометрический алгоритм компьютерного анализа текстуры наноматериалов по исходным микрофотоизображениям, включающий следующие основные этапы: декомпозицию исходных микрофотоизображений на низкочастотную и высокочастотную составляющие с помощью дискретного вейвлет-преобразования; расчет энерго-механических показателей для выделенных изображений элементов текстуры высокочастотной компоненты; дальнейшую бинарную декомпозицию и расчет морфометрических показателей для созданных изображений энерго-механических показателей (показателей элементов текстуры). Предложена система энерго-механических и мор-фометрических показателей элементов текстуры нанокомпозитов на основе использования бинарной декомпозиционной фильтрации текстурных микрофотоизображений и морфометрических показателей выделенных изображений кластеров на сечениях бинаризации.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время методы компьютерного моделирования сложных органических и неорганических молекул и реакций между ними постепенно становятся одним из основных инструментов химика-исследователя наряду с традиционными методами математической химии и физико-химических экспериментов. Это направление исследований получило название компьютерного молекулярного дизайна. Предшественниками компьютерного молекулярного дизайна являются квантовая химия, математическая химия и молекулярная динамика, которые в настоящее время объединились в исследования по квантовой молекулярной динамике. С помощью квантовой химии были разработаны математические модели многих органических и неорганических молекул, предсказаны их физико-химические свойства и описана реакционная активность этих молекул. С развитием вычислительных методов квантовой химии полуэмпирические модели, такие как МЛКО (метод линейной комбинации орбит), постепенно заменялись неэмпирическими квантовомеханическими методами, такими как метод Хартри—Фока [1]. Стала очевидной необходимость учета в квантовохимических расчетах сложных конструкций волновой функции и электронных корреляций [1, 2]. Важную роль квантовая химия сыграла в биологии и фармакологии при изучении свойств и эволюции сложных полимерных молекул. На основе использования методов квантовой хи-
мии сформировались новые научные направления квантовая биохимия и квантовая фармакология.
В математических моделях молекулярной динамики используются уравнения классической статистической механики. С помощью методов молекулярной динамики рассчитывают движение отдельных молекул, ионов и фрагментов полимерных цепей. У истоков отечественной молекулярной динамики стояли Э.Э. Шноль (Институт прикладной математики АН СССР) и А. Г. Гривцов (Институт физической химии АН СССР). Работы этих авторов по развитию методов молекулярной динамики получили широкое использование в различных институтах АН СССР и, в частности, в Институте физической химии АН СССР, где под руководством А.Г. Гривцова на ЭВМ начала 1980-х годов для изучения сложных физико-химических систем проводились интегрирования нескольких сотен уравнений Ньютона и Ланжевена [3]. Разработанные А.Г. Гривцовым эффективные методы интегрирования уравнений классической динамики многих частиц были успешно использованы для моделирования эволюции микрогетерогенных систем, таких как дисперсные, коллоидные и адсорбционные системы.
В настоящее время классические методы молекулярной динамики и методы квантовой химии объединены в новое научное направление — компьютерный молекулярный дизайн, или компьютерное молекулярное моделирование.
Компьютерный молекулярный дизайн — это процедура формального описания физико-химических и биологических систем с использованием достаточно реалистических атомных моделей для понимания и прогнозирования макроскопических свойств, основываясь на закономерностях поведения систем на молекулярном уровне. Наиболее точное формальное описание любой молекулярной системы возможно получить как решение уравнения Шредингера, что представляет собой весьма сложную физико-математическую и вычислительную задачу [3, 4].
Огромный вклад в развитие методов математической химии, методов компьютерного анализа количественных связей "структура—активность" биологических систем и в развитие методов предсказания биологической активности низкомолекулярных веществ по их химической структуре, называемого методом QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship), внесли труды школы академика Н.С. Зе-фирова [4].
Целью настоящей работы является анализ современных компьютерных инструментальных средств молекулярной инженерии и возможности их использования для разработки текстуры новых нано-материалов.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И ПАКЕТЫ ПРОГРАММ КОМПЬЮТЕРНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО ДИЗАЙНА
В настоящее время мощности компьютеров и методы параллельных вычислений позволяют проводить расчеты электронного строения сложных органических и неорганических молекул различных химических веществ и прогнозировать их физико-химические свойства. Для этих целей разработаны мощные вычислительные квантовохимические пакеты программ, имеющие развитые интерфейсные и графические средства, позволяющие их легко использовать химикам-исследователям без специального математического и компьютерного образования. Кратко рассмотрим основные возможности некоторых современных пакетов программ компьютерного молекулярного дизайна.
Фирма "ACD" (Advanced Chemistry Development) разработала пакет программ компьютерного молекулярного дизайна ACD/Structure Design Suit. В пакет программ вводится описание химического соединения. По этому описанию программа находит аналоги данного химического соединения с улучшенными физико-химическими свойствами, модифицируя структуру химических связей исходной молекулы. Программа решает следующие задачи: оптимизация свойств молекулы методом структурной модификации; прогнозирование всех физико-химических свойств модифицированных молекул аналогов; графическая трехмерная визуализация молекул аналогов.
Фирма "Accelrys" разработала пакет программ "Materials Studio", который широко используется в исследованиях свойств наноматериалов [5—10]. Программа позволяет исследовать, прогнозировать и модифицировать кристаллические структуры, а также прогнозировать и управлять процессами роста кристаллов с заданными свойствами; область ее использования: фармакологические соединения, пигменты, ингибиторы и др. С помощью этой программы, которая в качестве исходной информации использует атомный состав кристалла, химик-исследователь получает графическую визуализацию кристаллической структуры и информацию об электронной структуре химических связей, включая водородные связи. В пакет также включен инструмент для интерпретации спектров дифракционного рассеяния. Программа предоставляет также широкие возможности для конструирования молекул полимеров (модуль: Polymers and Classical Simulation tools). Модуль Quantum and Catalysis Software — это квантовохимический инструмент, который позволяет исследователю частично заменять экспериментальные данные квантовохимическими расчетами, что значительно экономит требуемые экспериментальные ресурсы. Этот инструмент предоставляет достаточно точные средства прогнозирования молекулярной структуры, поверхностной адгезии и расположения энергетических барьеров. Модуль широко используется для прогнозирования механизмов химических реакций, электрических и магнитных свойств материалов, а также инфракрасных и оптических спектров молекул. Пакет программ включает блоки расчетов: микропористой структуры абсорбирующих материалов; автомобильных фильтров; термопластиков; резиновых изделий; полупроводников и др. Важной особенностью пакета "Materials Studio" является возможность его интеграции с пакетом программ Pipeline Pilot моделирования многофазных газовых и жидкостных потоков в трубопроводах.
Производство микрочипов высокой плотности порядка 10 млн. транзисторов на квадратный дюйм требует использования тонких наноконтактов. Одним из возможных таких материалов для нанокон-тактов являются углеродные нанотрубки, которые по своим характеристикам превосходят силиконовые матрицы, однако главным ограничением их использования в качестве наноконтактов является достаточно большое электрическое сопротивление. Эта проблема была решена с помощью пакета "Materials Studio" включением в атомы контактного слоя атомов азота и бора [5—7].
В работе [10] специалисты из NASA 'Ames Research Lab" использовали пакет программ "Materials Studio" для исследования взаимодействия одно-стенных углеродных нанотрубок с включением атомов и микрокластеров различных металлов. Также исследовались возможности применения углеродных нанотрубок в производстве катализаторов и
датчиков. В настоящее время углеродные нанотруб-ки с металлическими наночастицами являются перспективным материалом в наноэлектронике для изготовления нанопроводников и полевых транзи-стеров.
Фирма "Molecular Discovery Ltd" разработала несколько пакетов программ для компьютерного молекулярного дизайна лекарственных препаратов. Пакет "Grid" предназначен для поиска наиболее энергетически эффективных мест для новых химических связей на поверхности сложных молекул. Программа может быть использована для исследования таких сложных макромолекул как белки, нуклеиновые кислоты и лекарственные препораты сложной структуры [11, 12]. Пакет "VOlSurf" предназначен для создания двухмерных представлений трехмерных энергетических полей химической связи сложных молекул с использованием процедур сжатия
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.