Коллектив ученых из МФТИ, ОИВТ РАН и НИУ ВШЭ исследовал водные растворы сахарозы методами суперкомпьютерного моделирования. Моно- и полисахариды широко применяются в пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Сделанные расчеты являются отправной точкой для дальнейших прикладных исследований растворов сахаров. Результаты работы опубликованы в Journal of Molecular Liquids.
Мало кто задумывается о всей масштабности применения сахарозы, а в быту — обычного сахара, размешивая его в чашке утреннего кофе. Однако исследования этого вещества на атомарном уровне — одна из важных научных и прикладных задач: результаты таких исследований востребованы в моделировании поведения растворов, комплексной переработке продуктов и даже в исследовании процессов, протекающих в почве.
Моно- и полисахариды широко распространены в природе. Они важны для функционирования всех живых клеток, входят в состав клеточной стенки растений и выполняют различные биологические функции. Кроме того, материалы на основе полисахаридов, в первую очередь целлюлозы, широко используются в технологических приложениях. Мембраны на основе эфиров целлюлозы, чаще всего ацетата целлюлозы, применяются при опреснении морской воды методом обратного осмоса, очистке воды от высокомолекулярных и тяжелых металлов. Эти мембраны могут использоваться в электрохимических источниках тока, таких как ячейки Red/Ox. Сахароза используется и в процессах дегидратации, которые помогают поддерживать качество пищевых продуктов. Все это делает очень важным изучение свойств водных растворов моно- и полисахаридов.
Одним из инструментов, используемых учеными для исследования свойств растворов, является метод молекулярной динамики. Данный метод с применением суперкомпьютерных ресурсов помогает изучить большое количество соединений, которое в эксперименте проверить затруднительно из-за временных и финансовых затрат. Упрощается и поиск оптимальных веществ по заданным свойствам.
Ученые из МФТИ построили достоверную модель, позволяющую с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. В атомистическом моделировании многое завязано на взаимодействии между атомами системы. Для расчетов жидкостей часто применяются потенциалы межатомного взаимодействия. Создание потенциалов — отдельное искусство: при разработке авторы ориентируются на квантово-механические расчеты, потом проверяют, насколько хорошо модель воспроизводит экспериментальные данные. Оказалось, что популярные потенциалы плохо подходят для описания динамических свойств водных растворов простых сахаров, таких как сахароза и глюкоза.
Владимир Дещеня, магистрант МФТИ, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, рассказывает: «Для исследования различных физических систем все чаще применяются методы суперкомпьютерного моделирования. Точность достигаемых результатов при этом напрямую зависит от потенциала межатомного взаимодействия, который получается при помощи квантово-механических расчетов и экспериментов. Опираясь на последние улучшения различных потенциалов, описывающих взаимодействия атомов в жидкостях, мы подобрали подходящий для описания свойств раствора сахарозы в воде. Таким образом мы получили достоверную модель раствора».
Модель водного раствора сахарозы с массовой долей 30%, включающей 12 молекул сахарозы и 532 молекулы воды, использованная для расчетов на суперкомпьютере. Источник: Journal of Molecular Liquids
Ученые применили свою модель для получения динамических и структурных характеристик водных растворов сахарозы, и результаты оказались близки к экспериментальным данным с достаточно высокой точностью.
© Анимация подготовлена Владимиром Дещений
Одним из ключевых преимуществ модели является то, что она может быть использована для исследования не только растворов сахарозы, но и для других сахаров. Такая широкая область применимости представляет интерес для большого круга задач. Например, она открывает возможность перебора различных химических соединений для поиска оптимальных материалов мембран в Red/Ox, перспективных электрохимических элементах, которые могут использоваться в качестве аккумуляторных батарей.
«Наше исследование на атомистическом уровне проливает свет на богатство конформаций молекул сахара в растворе, дополняет эксперименты и вычисления других авторов. Отличительной чертой работы является достоверность модели, позволяющей с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. Сейчас мы собираемся использовать полученную нами модель для исследования структурных свойств именно водных растворов сахарозы. Ответ на вопрос, какие конформационные перестройки молекулы сахарозы в растворе возможны, — до сих пор предмет научных дискуссий. Вероятно, мы с коллегами проясним это в следующей работе», — поясняет Николай Кондратюк, заведующий лабораторией многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ.
Расчеты были проведены на суперкомпьютере «Десмос» ОИВТ РАН, а часть данных обработана на суперкомпьютере МФТИ.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда 18–19-00734 и программой стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
