Прогнозирование растворимости важно для множества приложений. Например, в фармацевтической сфере крайне важно знать растворимость лекарства, поскольку от нее напрямую зависит его доступность для организма.
Нефтяная промышленность дает еще один пример: вещества с низкой растворимостью могут образовывать накипь или нежелательные отложения в трубах или буровых установках, вызывая засоры и другие серьезные проблемы.Несмотря на важность предсказания растворимости, это непростая задача.
Один подход, использующий моделирование методом «грубой силы», требует длительного времени вычислений. Другие методы, хотя и являются более быстрыми, не позволяют предсказать точные значения растворимости. На этой неделе в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing исследователи сообщают о новом типе программного обеспечения, которое позволяет удобно оценивать растворимость практически любого молекулярного вещества в широком диапазоне температур и давлений.
Код использует общедоступное программное обеспечение с открытым исходным кодом и, как ожидается, получит широкое распространение.Даан Френкель из Кембриджского университета в Великобритании работал с коллегами Лунной Ли из Кембриджа и Тимом Тоттоном из British Petroleum над разработкой кода.«Мы сделали сознательный выбор в пользу использования хорошо документированного, свободно доступного программного обеспечения, потому что мы хотели сделать наш подход доступным для всех», — сказал Френкель. «Универсального инструмента для вычисления растворимости давно не хватало. Методология, лежащая в основе, существовала, но на самом деле никто не создал рабочую программу».
Программное обеспечение, разработанное этой группой, использует стандартные термодинамические выражения, известные с середины 19 века, такие как давление пара. В этом подходе используется тот факт, что когда твердая или жидкая фаза находятся в равновесии, их давления пара равны. Когда жидкость или твердое тело нагреваются, молекулы улетучиваются и образуют пар. Это давление пара можно рассчитать с помощью компьютерных моделей.
Например, кусок сахара, растворяющийся в воде: молекулы сахара существуют либо в твердом состоянии — кристаллический кусок сахара, — либо полностью окружены молекулами воды после их растворения. Количество сахара в каждой из двух фаз, твердой и растворенной, определяется энергией, необходимой для перемещения молекул сахара между этими фазами. Растворимость можно рассчитать, вычислив давление паров двух фаз и уравняв их.Для моделирования твердой фазы исследователи использовали модель, получившую название кристалла Эйнштейна.
В этой модели невзаимодействующие молекулы растворенного вещества помещены на решетку и привязаны к точке решетки с помощью математической пружины. Давление пара кристалла вычисляется путем вычисления работы, необходимой для выключения пружин и включения взаимодействий между связанными молекулами.Чтобы смоделировать растворенную молекулу растворенного вещества, исследователи использовали стандартный энергетический потенциал для рассматриваемого растворителя, которым в примерах, использованных для тестирования их программного обеспечения, была вода, и рассчитали работу в три этапа. Сначала создается полость в растворителе.
Затем в полость вводится молекула растворенного вещества, и, наконец, полость уменьшается до размера молекулы растворенного вещества. Эта процедура устраняет ряд ошибок и дает точные оценки давления пара и, следовательно, растворимости.
В отчете за эту неделю исследователи протестировали свой код на нафталине, растворенном в воде, и предсказали растворимость, которая хорошо согласуется с экспериментальными значениями. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на расширении программного обеспечения, чтобы оно могло обрабатывать более крупные молекулы растворенных веществ.
