Жить страшно, чего только жуткого в атмосфере не летает (помимо дронов и прочего). Вот, например, триоксиды, как тот, что изображён на картинке к посту 😰 Это как пероксиды, только с цепочкой из трёх кислородов, O-O-O... Мало того, это ещё и в экспериментах детектируют, и в атмосферной химии (например, в формировании аэрозолей) эти соединения, как выясняется, заметную роль играют. Короче, крышеснос!

А подробнее про это замечательное соединение, и про его друзей, можно почитать в статье в замечательном журнале "Наука" за 2022 год (откуда картинку к посту и слямзили).

Science (2022), Vol 376, Issue 6596, pp. 979-982
DOI: https://doi.org/10.1126/science.abn6012

Сама же PDF-ка статьи приложена к посту :)

Нам тут подогнали новость :)

Бесплатное обучение на Химфаке МГУ с гарантированным трудоустройством!

Магистратура Химфака МГУ и инновационная компания УНИХИМТЕК проводят набор на магистерскую программу «Технология композиционных материалов и малотоннажного синтеза».

❗️Бесплатное обучение
❗️Трудоустройство прямо во время обучения с зарплатой от 50 000 руб. в месяц
❗️Стипендия и гранты

Набор открыт! Переходи по ссылке и регистрируйся на программу МГУ Химфак! Построй свое будущее👇
https://odp.ucheba.ru/msu_chemical_magistracy?utm_campaign=MSU_magistracy_pr&utm_source=vk&utm_medium=partners_quant_chem_and_stuff

В этих наших научно-ориентированных интернетах, особенно в условиях отсутствия денег/наличия санкций/нежелания переплачивать за чересчур переоценённый софт, у многих периодически возникает дилемма: скачивать самую известную химическую рисовалку, ChemDraw (ныне ChemBioDraw), с торрента, и потом не иметь возможности опубликовать свои результаты в хороших журналах, или же всё же забить на науку и уйти заниматься чем-то другим...

К счастью, есть третий путь, и это использование бесплатного программного обеспечения (ПО)! Открытого или закрытого, это уже второй вопрос, забудем про него. Есть замечательные сайты, где можно ознакомиться с альтернативами, например:
https://alternativeto.net/software/chemdraw/

Использование открытого, или закрытого, но бесплатного ПО в науке, это на самом деле и хорошая инвестиция в это самое будущее науки и образования. Когда мы используем в нашей научной/образовательной деятельности софт больших корпораций, то в первую очередь для нас оно хорошо только прятным юзерским опытом. Когда же мы учим студентов использовать условный ChemDraw, пусть и скачанный с торрента, вместо его аналогов, созданных такими же энтузиастами (или хотя бы менее раскрученными конторами), то мы не всегда лишаем компанию-производителя денег. Например, 3k$ за пакет ChemBioDraw, при наличии большой клиентской базы (куча крупных фирм и богатых универов) навряд ли можно назвать честной ценой для небогатых исследователей. Поэтому от конкретного юзера, скачавшего это ПО с рутрекера, навряд ли годовые показатели PerkinElmer Inc. сильно просядут. Зато учить студентов подобному удобному софту, это как детей подсаживать на опиаты, а потом ожидать, что они будут довольствоваться более дешёвыми и доступными сигаретами и алкоголем. Поэтому молодое поколение химиков, уже приходя на производства и в богатые универы, будет закупать тот же ChemBioDraw по той самой цене в $3k (или выше)...

Поэтому не лучше ли поддержать таких же энтузиастов из науки/программирований, которые создавали свой софт, чтобы нам всем было немножечко лучше? Тем более, если речь идёт о современной науке, то часто этот свежий софт содержит такие уникальные фичи, которых нет нигде более. Так что чуть менее удобный юзерский опыт, может не такая большая цена за поддежку таких энтузиастов? А если учёных, то и накручивания им числа цитирований, своим использованием?

Чтобы не быть голословным, скажу, чем я сам пользуюсь для рисования 2D молекул и химических реакций. Раньше я использовал BKChem, но, к сожалению, этот проект написанный на Python 2, с 2010 года не поддерживается, поэтому запустить его сейчас не так тривиально. Поэтому с тех пор я перешёл на GChemPaint из Gnome Chemistry Utils. Простенько, с багами, но более чем достаточно, чтобы производить картинки публикационного качества, и не иметь претензий от разных журналов. В качестве примера, к посту приложен скрин того самого GChemPaint-а.

Так что поддерживайте пожалуйста не только крупные корпорации, но и менее известных девелоперов открытого и/или бесплатного ПО!

Немножечко восхитительных реальных историй о научной жизни химиков-теоретиков (от наших подписчиков) 🙃

*** Действующие лица ***

Джун Аспирант первого года: обучает maсhine-learning force field чтобы с помощью термодинамического интегрирования оценивать ангармоничность. Передний край науки. Сталкивается с проблемами.

Опытный джун Аспирант третьего года: считает стандартное периодическое ДФТ, испытывает сложности в том, как правильно посчитать ZPE.

Мид Постдок: считает в гауссиане на ДФТ closed schell воду, молекулярный водород и протон. Испытывает проблемы.

Сениор Профессор: Не считает ничего последние 7+ лет

*** История об одном интересном мероприятии ***

Вы скажете что старшие уровни занимаются организацией. Проводится семинар с приглашенным докладчиком.

Аспирант: нашел докладчика, пригласил докладчика, являлся единственным констактным лицом докладчика, написал практически все имейлы связанные с организацией семинара.

Постдок: сделал ряд телефонных звонков с секретарями, говорил аспиранту куда что писать, определил и зарезервировал ресторан для ужина с докладчиком.

Профессор: определил подходящие для него даты семинара, не пришел на ужин. Пообещал пиво за организацию. Постдоку.

***Занавес***

⭐️⭐️Рисовалка молекул в браузере Draw Chemistry⭐️⭐️

Все дела: открытый код, интуитивно-понятный интерфейс, импорт/экспорт в форматы png и mol.

Короче, классный сервис сделали люди (да не обидятся фанаты бэтмена на логотип).

https://drawchemistry.io/

А как насчёт open source софта, который умеет генерировать картинки, похожие на разряд между двумя конденсаторами?

В основе лежит симуляция системы из кучи зарядов в постоянном поле, с трением и броуновским движением. Картинки и анимации, которые получаются, вроде очень схожи с реальными.

Всё доступно через Гитлаб в репозитории:
https://gitlab.com/madschumacher/discharger

Ну а примеры работа этого кода даны ниже :)

Новым направлением в контроле химических реакций при помощи света, сейчас являются резонаторы, в первую очередь ИК. В них, за счёт эффектов квантовой электродинамики, возможно ускорение/замедление реакций, изменение путей, фотохимии, и всего такого.

И наконец, были представлены первые приемлемый экспериментальный результат: контроль скорости химической реакции в ИК-полости.

Статья, как водится, была опубликована в журнале "Наука" (без "Жизни"):

Wonmi Ahn et al.,
Modification of ground-state chemical reactivity via light–matter coherence in infrared cavities.
Science 380, 1165-1168 (2023).
DOI:10.1126/science.ade7147

Ну а пресс-релиз можно почитать на Phys.org:
https://phys.org/news/2023-06-theoretical-discovery-path-quantum-physics.html

1/2
На днях вышла статья в PCCP под названием
"Describing nuclear quantum effects in vibrational properties using molecular dynamics with Wigner sampling"
(DOI: D3CP01007)

Когда мы думаем о начальных условиях молекулярной динамики, мы обычно имеем в виду Максвелл-Больцмановское (МБ) распределение. Для выбранной температуры мы берём и каждому атому приписываем скорость, согласно этому самому МБ распределению. С этим подходом есть одна большая проблема: мы совершенно ни в коем образе не учитываем квантовые ядерные эффекты, связанные с нелокальностью ядер. В результате, многие параметры, которые мы извлечём из такой молдинамики, например, средние амплитуды колебаний, будут сильно занижены относительно правильных значений. Особенно критично это для водородов, где амплитуды колебаний для O-H и C-H связей при 25°C могут быть занижены в два(!) раза, а ИК частоты сдвинуты в синюю область на сотни(!) обратных сантиметров. Иными словами, всякие переносы протона, которые изучаются в биосистемах методами классической молдинамики — это ещё то враньё, поскольку полученные результаты не учитывают квантовую природу самих протонов. Ну и при температуре = 0 K такой МБ-семплирование даст ровным счётом ничего, т.е. холодные системы в молдинамике симулировать нельзя.

Альтернативой МБ-семплированию является Вигнеровское семплирование. Для этого нам нужно получить квазираспределение Вигнера, функцию для координат и импульсов, которая кодирует квантовое состояние. В случае молекулярной динамики, для этого считают гармонические частоты, и для полученного гармонического потенциала строят соответствующую функцию Вигнера. У этого подхода очень большой плюс: он учитывает (хоть в какой-то степени) квантовую природу ядер. Минусом является то, что его можно применить только на первом шагу молдинамики, т.е. термостат, учитывающий квантовую природу ядер на таком подходе не построишь. Ну и считать и диагонализовать гессиан для больших систем — тоже затратное занятие.

2/2
Поэтому в вышеприведённой статье мы берём МБ-семплирование, Вигнеровское семплирование, и делаем большой бенчмарк этих двух методов для различных колебательно-зависимых наблюдаемых: колебательных сдвигов вращательных постоянных, ИК спектров, и даже фотоэлектронных спектров.

Но это ещё не всё. В ней мы вводим ещё один новый способ семплирования начальных (и не только!) условий молдинамики: упрощённое Вигнеровское семплирование (simplified Wigner sampling, SWS). По своей сложности к применению он соотвествует МБ-семплированию (гессианы считать не надо). Но в отличие от МБ, в SWS зашит принцип неопределённости Гейзенберга (Δx·Δp≥ħ/2), позволяющий восстановить квантовые ядерные эффекты (в какой-то мере).

Естественно, усидчивость на двух стульях (простоты и физичности) даётся не даром: в SWS появляется один свободный параметр, τ, имеющий размерность времени. По-сути, он регулирует неопределённость между каждой парой импульса и координаты. Но, хорошей новостью является то, что его можно найти, минимизируя температуру системы в зависимости от этого τ. Ну или, если совсем лень, по-ходу, выбор τ в диапазоне между 2 и 4 фемтосекундами является адекватным почти для всех молекулярных систем (пока я ещё не встречал примера обратного).

Само собой, раз SWS можно использовать многократно, мы ещё построили на основе этого семплирования и простенький квантовый термостат. Заменив в термостате Андерсена МБ-семплирование на SWS, мы получили квантовый термостат Андерсена.

Более подробно обо всём этом можно почитать в этой самой стататье в PCCP. Её препринт также доступен в репозитории ChemRxiv:
https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2023-xrdps-v2

Недавно вышла* ещё одна статья:
"Metadynamics simulations with Bohmian-style bias potential"
J. Comput. Chem. 2023, 44( 21), 1771
DOI: https://doi.org/10.1002/jcc.27125

В ней описывается новая формулировка и интерпретация метадинамики. Подробнее про метадинамику можно узнать, например, отсюда, отсюда или отсюда, но если кратко, то это дополненная реальность обычной молдинамики: туда добавляется дополнительный времязависимый сдвиговый (bias-овский) потенциал, который создаёт "слепок" поверхности потенциальной энергии. И вот этот сдвиговый потенциал обычно интерпретируют через призму термодинамики и представляют как сумму гауссиановских распределений.

В новой же статье вводится альтернативная интерпретация. Есть такие формализм и интерпретация квантовой механики: теория Де Бройля-Бома. По этой теории, квантовые частицы двигаются классически в потенциале, который состоит из обычной потенциальной энергии и квантовом потенциале, который даётся волновой функцией. Ничего не напоминает? Собственно, отождествив квантовый потенциал со сдвиговым потенциалом в метадинамике, мы можем получить и альтернативное представление для сдвигового потенциала (как сумму перевёрнутых парабол), да ещё и новый способ интерпретации.

Естественно, имплементация для реакций разрыва связей, и численная демонстрация на реакциях переноса протона (см. рис. к посту) и диссоциации циклогексена (обратный Дильс-Альдер) прилагаются. 🙃

* - В открытом доступе, спасибо немецкому проекту DEAL!

Реклама! Питоновский ab initio молекулярно-динамический (МД) драйвер PyRAMD (пирамида).

О нём я уже писал, но теперь там появились и новые публикации, и новые фичи. В пакет, на данный момент, входят три программы.

1. BOMoND (Born-Oppenheimer Molecular Nuclear Dynamics). Это драйвер для обычной Борн-Оппенгеймеровской МД. Пока с термостатами не очень густо: только Берендсен и Андерсен. Но, их обоих можно сделать "квантовыми", использовав упрощённое Вигнеровское семплирование (SWS, см. тут).

2. BBBMTD (Bond-breaking Bohmian Metadynamics). Это уже драйвер для метадинамики разрыва связей. В доступности только одна коллективная координата, но её можно сделать произвольной линейной комбинацией любого числа межатомных расстояний. Можно вновь использовать SWS + добавлять Берендсовский термостат, чтобы избежать перегрева системы.

3. DissMD (Dissociation Molecular Dynamics). Это аналог Гриммовского пакета QCxMS, для моделирования масс-спектров, но с важными различиями. Во-первых, все модели (возбуждения, внутренней конверсии, распределения зарядов), в отличие от QCxMS взяты не левой пяткой с потолка, а имеют более чёткую физическую подоплёку. Во-вторых, DissMD сделана для моделирования масс-спектров от фотовозбуждения, именно такая модель туда и зашита (QCxMS в такое не умеет). В-третьих, там могут быть не только монокатионы, но и поликатионы (ди-, три-, тетра-, и т.д.). Причём, можно получать величины kinetic energy release. Вообще, в DissMD по задумке можно было делать и pump-probe моделирование, но в результате упрощения и удешевления некоторых из моделей, к сожалению, работает сейчас оно не так хорошо, как должно.

PyRAMD да данный момент умеет работать только в связке с xTB и ORCA 5.

Так что пробуйте, тестируйте :) Скачать саму PyRAMD можно из репозитория:
https://stash.desy.de/projects/PYRAMD
Также есть и мануал:
https://confluence.desy.de/display/CFA/PyRAMD

Ну и по вопросам использования/новых фич, можно обращаться ко мне напрямую.

Если я скажу, что при помощи чуть модифицированной масс-спектроскопии (МС) можно увидеть структуру молекулы, то вы наверное посчитаете меня за сумасшедшего. Но не тут то было! Это целая область экспериментальных исследований, которая называется Coulomb Explosion Imaging (визуализация кулоновского взрыва).

Собственно, кулоновский взрыв — это диссоциация молекулярного поликатиона на два катиона меньших зарядов. Простейшая реакция такого типа — это диссоциация дикатиона на два монокатиона:
(AB++) → (A+) + (B+).
При этом, при разрыве химической связи, между катионами-фрагментами возникает очень сильное кулоновское отталкивание, что разгоняет эти два фрагмента в противоположные стороны до гиганских скоростей. И вот эти скорости и можно увидеть во времяпролётной МС как вариацию времени прилёта. Но если сделать ещё хитрее, и приложить специальное электрическое поле, то можно получить т.н. спектроскопию картирования скоростей (velocity map imaging, VMI). В результате чего все скорости будут отображаться на экране в виде кругов, радиус которого будет соответствовать скорости соответствующего иона. Естественно, чтобы получить эти скорости, приходится снимать картинки индивидуальных времяпролётных пиков, и именно для этого используются самые быстрые фотокамеры в мире: PImMS (из Оксфорда) и TimePix (из ЦЕРНа), которые могут снимать фотографию раз в несколько наносекунд!

И вот из такой хитрой МС за счёт корреляций скоростей между различными фрагментами и можно увидеть структуру изначального фрагмента! Мало того, если проводить фемтосекундные эксперименты pump-probe спектроскопии, когда первый лазерный импульс (pump) производит ионизацию и развал молекулы, а второй лазерный импульс (probe) переводит ионы в новое ионное состояние, мы можем буквально увидеть процесс разрыва химической связи и разлёт фрагментов с шикарным разрешением.

Обо всём этом можно почитать в статье:

Molecular photodissociation dynamics revealed by Coulomb explosion imaging
Phys. Chem. Chem. Phys., 2023,
DOI https://doi.org/10.1039/D3CP01740K

Ещё раз о ядерных квантовых эффектах, которых нет в обычной молекулярной динамике.

Недавно в JACS вышла статья от группы Олега Преждо из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, в которой показывается, что недоучёт квантовых ядерных эффектов важен не только для всяких переносов протонов, но и для динамики твердотельных систем с тяжёлыми атомами. Если быть точно, для динамики носителей заряда в гибридных органо-неорганических перовскитов.

Короче, если сделать классическую и квантовую молдинамику этих систем, то время жизни носителей заряда в квантовом случае заметно больше, что приводит к тому, что эффективность излучетельных процессов выше на 40% во втором случае. Т.е., в классической молдинамике мы недоучитываем важные аспекты динамики. Хоть и кажется, что для тяжёлых элементов, где все эти заряды локализованы, квантовые ядерные эффекты не важны, их наличие в решётке для более лёгких элементов явно влияет на всю картину.

Более подробно, читайте саму статью:

"Nuclear Quantum Effects Prolong Charge Carrier Lifetimes in Hybrid Organic–Inorganic Perovskites"
J. Am. Chem. Soc. 2023,
https://doi.org/10.1021/jacs.3c04412

Статья приложена к посту, а картинка взята из статьи.