Учени създават нови материали чрез квантовохимично моделиране

*Проф. Петко Петков. Снимка – Олег Попов*

Проф. Петко Петков работи в катедрата по Органична химия и фармакогнозия във Факултета по химия и фармация на Софийския университет „Св. Климент Охридски“. Специализирал е в Германия и Испания. Приносите на проф. Петков са основно в областта на квантовохимичното моделиране на структурата и свойствата на различни по природа порести материали. Получените резултати, публикувани в едни от най-престижните международни издания, дават възможност за развитие и прилагане на нови хибридни материали в областта на съвременните технологии. Според световните бази данни на Web of Science проф. Петков има над 80 научни публикации с над 2600 независими цитирания върху тях и H-индекс 26. Тази година проф. Петков получи наградата „“ за утвърден учен в областта на природните и инженерните науки.

Проф. Петко Петков е член на група по изчислителен катализ, която се занимава с квантовохимично и компютърно моделиране на различни типове материали. Някои от тях са изключително подходящи за катализатори, които са много важни за индустрията, за опазване на природата и всички сфери на живота. Те помагат една химична реакция да се осъществи по-лесно, с по-малко вложена енергия и по този начин да се контролира ходът на една химична реакция. Една от основните насоки, по които работи групата учени, е компютърното моделиране на порести материали.

„Порестите материали намират широко приложение – разделяне на газови смеси, съхранение на газове, съхранение на енергия. Едно от основните им приложения е за катализатори – казва проф. Петков. – Едни от порестите материали, които изследваме, са зеолитите. Някои от тях са природни съединения с пореста структура, които намират най-различни приложения. Вътре имат специфична структура от кухини и канали, които са с размери, близки до тези на различни молекули. По този начин вътре, в самите канали на тези материали, могат да протекат различни процеси между молекулите, които могат да влязат в тези канали. Според размера на каналите и кухините може да се формира селективно само определен продукт, т. е. те могат да се разглеждат като едни миниреактори. Освен това в самите тези порести структури може да има различни активни центрове, които подпомагат взаимодействието между определен тип молекули или пък задържат малки молекули вътре в кухините.“

Това са само част от приложенията на зеолитите, които са доста популярни и извън научната сфера. Някои ги използват като хранителни добавки за пречистване на организма. Обяви за това има в интернет, но ученият не знае доколко те са верни. Той и неговите колеги ги използват за каталитични приложения. А и

зеолитите не са единствените порести материали.

„Аз специално се занимавам с един вид порести материали, които са сравнително нови, познати са отпреди 20-ина години – казва проф. Петков. – Това означава, че са доста млади. 20 години за хората може да са много, но за изследване на нови материали подобен срок е кратък. Тези нови материали са синтетични и се приготвят в лабораторни условия. Те се наричат металорганични решетки. Интересното е, че те са открити като страничен продукт в различни химични реакции. По аналогия със зеолитите, те са с пореста структура – с кухини и канали с различна големина. Порестите материали имат т. нар. голяма вътрешна повърхност. Като пример ще дам едно сравнение – има металорганични решетки, които

в 1 грам тегло могат да поберат площта на едно футболно игрище,

разпределена в кухините и каналите на порестия материал. Наименованието металорганични решетки идва оттам, че във възлите на тези решетки има метални йони, клъстери или различни металоксидни частици, а връзката между тях се осъществява от органични молекули. Тези молекули се свързват с металните йони или металоксидни частици и формират такъв тип структура, която е подобна на решетка. Затова се наричат по този начин.“

Ученият подчертава, че те са многообещаващи. Причината за това е техният дизайн. Както децата си играят с лего конструктори и могат да изградят от различни блокчета различни обекти, така тези металорганични решетки позволяват да се прави същото. Затова органичните молекули и металните йони и частици по възлите могат да се разглеждат като парчета от един лего конструктор. Сглобявайки различните парчета по определен начин, може да се получат обекти с различни свойства. Те са много интересни като материали от гледна точка на структура и свойства и имат потенциал за приложение в много сфери на технологиите: за съхранение на енергия, съхранение на вода, сензорни компоненти, оптоелектрониката, електро- и фотокатализа и др.

Една от насоките, в които работи проф. Петков, е моделиране структурата на такива материали. Ученият се занимава с това от около 15 години и има съществен принос за изследването на тези материали. Интересът му се поражда през 2009 г., след като защитава докторска дисертация. Тогава отива на краткосрочна специализация в групата на проф. Томас Хайне в университета „Якобс“ в Бремен, Германия, чиито членове се занимават с моделиране на такива материали. По-късно специализира 3 години като постдокторант при проф. Томас Хайне, но в университета в Лайпциг, Германия. До ден-днешен продължава да работи с групата на проф. Хайне, който вече е в Техническия университет в Дрезден.

„По време на тези специализации създадох контакти с експериментални групи от Германия и от други страни, които създават такъв тип материали – казва проф. Петков. – Аз правя квантовохимично моделиране, защото то и изчислителната химия в тази си част са подход, който в наши дни е почти неразделна част от новите изследвания в областта на химията и материалознанието. Ние правим изследвания с помощта на компютърни експерименти. В този експеримент можем да приложим такъв тип симулации, които позволяват условия, които са твърде далеч от онези, които могат да бъдат постигнати в реални експерименти. Или е много скъпо да бъдат постигнати, т. е. можем да видим какво се случва с дадени молекулни обекти при изключително екстремни условия.“

Това е едната посока на изчислителната химия, която може да предоставя допълнителна информация към експеримента, за да бъде обяснен той достатъчно добре. Другата посока на изчислителната химия е свързана с това да се предсказват свойства на материали, които още не са създадени. И ако тези свойства са интересни, тогава експерименталните групи могат да вложат усилия да създадат такъв тип материали със съответните желани свойства, уточнява ученият. Това са двата основни клона, в които се прилагат методите на изчислителната химия.

„Квантовата химия може да я наречем приложна квантова механика – казва проф. Петков. –

Квантовата механика се занимава с поведението на материята и светлината в атомен и субатомен мащаб.

Тя ни дава математическия апарат и физичните модели, за да можем да опишем свойствата на молекулите, атомите и техните съставни части – електроните. Ние реално прилагаме методите на квантовата механика към химични системи и обекти и това наричаме квантова химия. Квантовата механика е много по-широко поле от квантовата химия. В квантовата химия получаваме различни свойства на атомите и молекулите, като се опитваме да решим едно популярно уравнение, наречено Уравнение на Шрьодингер.

Шрьодингер получава Нобелова награда точно за това ново приложение на атомната теория. И оттогава започва развитието на тази наука. Нашите обекти за изследване са молекулите, молекулни и надмолекулни структури, които пък са изградени от атоми – градивните единици на една молекула. За да изследваме състава на дадена молекула, трябва да знаем как отделните атоми в нея взаимодействат помежду си.

Това става, като се реши Уравнението на Шрьодингер, което ни описва взаимодействието между атомите в една молекула или взаимодействието между различни молекули. Това е квантовата част в изчислителната химия, като, разбира се, в нея има и други методи.“

В изчислителната химия има и методи, базирани на класическата механика на Нютон, уточнява ученият. Те се прилагат повече за изследване на биологични системи, които са много големи като размер.

„Важното тук е, че с методите на изчислителната химия може да предлагаме най-различни модели, да показваме плюсовете на едните, минусите на другите – казва проф. Петков. – И от тези множество варианти вече може да се подбере най-подходящият, за който да се положат усилия да се прехвърли на следващо ниво – неговото практическо приложение. Имаме чисто теоретични разработки, които след това са били потвърждавани експериментално. Т. е. ние първо предлагаме модел, който хората са решили да тестват в експериментални условия. Доволни сме, когато се окаже, че моделите работят по начина, по който сме предсказали.“

Задно с двама свои колеги – проф. Георги Вайсилов (ръководител на групата по изчислителен катализ) и проф. Християн Александров, проф. Петков работи в областта на изследване на структурата и свойствата на зеолитите и др. порести материали, както и за изясняване на механизма на химичните реакции в органичната химия.

Това е важно, защото в химичните реакции се осъществява трансформацията на веществата.

Изучаването на механизма на химичната реакция означава да се знае какво се случва във всеки един момент от нейното протичане

– колко енергия е необходима, какви външни влияния има и т. н. Ако се знае всяка една стъпка от дадена химична реакция, това позволява тя да бъде контролирана – например колко и какви продукта да се получават в резултат на реакцията, нейната скорост или пък да бъде спряна. Сред научните интереси на групата са и биологични обекти и различни лекарствени молекули.

Проф. Петков и негови колеги изследват тяхната адсорбция – способността да се захващат върху дадена повърхност, без да образуват химични връзки. Учените проучват и взаимодействието на лекарствените молекули с различен тип носители, които служат за тяхното транспортиране в живите организми.