Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Зачем же живую природу губить?

Ключевые слова:  6-31 G/DFT, RHF/PM3, адсорбция фенола, квантово-химические методы, кинетика процесса, Мастерские инноваций, межмолекулярные взаимодействия, механизм адсорбции, модель поверхности угля., периодика, термодинамика процесса, угольный сорбент, ФИОП РОСНАНО

Автор(ы): Чухрина Виктория Вадимовна

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

02 июня 2015

Мы с удовольствием публикуем лучшие работы конкурса «Моя лаборатория», который провели в рамках Олимпиады Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова.

Сотворить целиком новый мир в виде планеты Пандора (рис. 1), на которой развивается действие "Аватара" стало возможным при помощи компьютерных технологий. Создание высокореалистичных компьютерных фильмов уже не фантастика. Суперкомпьютерные технологии, применяемые в играх, дают почувствовать себя профессиональным гонщиком, удачливым покорителем новых земель, непревзойденным воином-победителем!

Рис. 1 Эскизные рисунки мира Пандоры

Но могут ли помочь суперкомпьютерные технологии в решении экологических проблем? На этот вопрос я попытаюсь ответить в данной статье.

В 2010 году, после окончания школы, я поступила на химический факультет Астраханского Государственного Университета и практически сразу приступила к научно-исследовательской работе. На тот момент меня волновавала экологическая проблема, заключающаяся в пожарах на зарослях тростника в Астраханской области.


Горел на ериках камыш,

В нём заживо зверьё сгорало.
Я видела, как убегала мышь
И болью сердце моё сжималось.

Кто же додумался каждой весной
Так обращаться с природой?
Думаю, что человек этот чёрствый и злой,
А может, мы сами жестоки!

Зачем же живую природу губить?
Об этом хочу я у взрослых спросить,
Когда б у детей спросили вы
Мы запретили б вам эти палы!


Совместно с научным руководителем мы сформулировали цели моей научной работы, направленные на разработку практического использования сжигаемого в настоящий момент тростника. Мной были изучены физико-химические свойства активного угля, полученного из стеблей тростника южного (Phragmites australis). В ходе работы, выяснилось, что полученные угли обладают высокими показателями удельной поверхности и зольности. С этого момента работа приобрела конкретные очертания и трансформировалась в работы по изучению сорбционного концентрирования фенола на угольном сорбенте. Наверное, у некоторых из вас возникнет вопрос: «Почему для исследования взято такое органическое вещество как фенол?». Ответ очень прост. Фенол относится к ядовитым соединениям второго класса опасности, попадая в организм, он очень быстро всасывается через неповрежденные участки кожи и через некоторое время начинает воздействовать на ткани головного мозга. Негативному влиянию фенола подвержены также клетки растений [1]. Однако фенолы широко используются практически во всех областях промышленности. Его обнаруживают в стоках предприятий, занятых производством бензина, пластмасс, вулканизированной резины, дезинфицирующих и фармацевтических препаратов. Фенол обнаружен в питьевой воде, воздухе, в выхлопных газах автомобилей, табачном дыме, и в некоторых пищевых продуктах, к которым относятся: копченные колбасы, жареные цыплята, горный сыр [2].

Мною были проведены исследования по изучению термодинамики и кинетики сорбции фенола полученным сорбентом. В результате которых, было выявлено, что активный уголь, полученный при термической обработке измельченных стеблей Тростника Южного, является неплохим и достаточно перспективным материалом для детоксикации биологических жидкостей, и очистки сточных промышленных вод [3]. Это означало, что не нужно больше сжигать тростник, в котором прячутся животные и заживо сгорают, его можно собирать и использовать с пользой, не нанося вред окружающей среде.

Проводя исследования, я думала: «Как жалко, что мы не можем визуально увидеть, что же происходит с молекулами внутри раствора, какие процессы протекают?». Переломным моментом в ходе исследований стала поездка одним из самых снежных и морозных дней в Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Я впервые очутилась в этом храме науки. Но поразил меня не масштаб Университета, а мощная компьютерная установка, которая была предназначена для математического моделирования сложных процессов, требующих огромного количества расчетов. Я даже не могла представить, что суперкомпьютеры используются для моделирования новых эффективных лекарственных средств, снижения издержек при добыче нефти, при проектировании новых двигателей и машин. Активно применяются результаты суперкомпьютерных проектов в физике, астрономии, микробиологии, метеорологии.

Суперкомпьютер - это вычислительная машина, которая предназначена для математического моделирования сложных процессов, требующих огромного количества расчетов. Кто же предоставляет входные файлы для таких расчетов?Оказывается, существует ряд программ, которые визуализируют не только отдельные молекулы, но и комплексные соединения и сами квантово-химические расчеты.

Наконец-то стало возможным проследить за изменениями, которые протекают в молекулярной структуре, в процессе химической реакции.

Рис.2 СКИФ МГУ «Чебышев»

Я стала моделировать взаимодействия двух систем: фенола и поверхности сорбента.

Для моделирования межмолекулярного взаимодействия мною был проведен обзор квантово-химических методов исследования исходных молекул и адсорбционных комплексов, в результате чего я составила модели взаимодействия по принципам разностей электроотрицательностей (выбор электроотрицательного атома в молекуле угля и электроположительного атома в молекуле фенола, и наоборот) и по заселенностям граничных молекулярных орбиталей [4].

Для получения энергетических, зарядовых, геометрических параметров использовала квантово-химический программный пакет GAMESS US [5]. Визуализацию исходных молекул и модельных систем проводила в программе ChemCraft [6]. Вычисления проводила на суперкомпьютере Чебышев (рис. 2), который установлен в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, квантово-химическими методами PM3/RHF и 6-31 G/DFT/B3LYP.

Данные методы позволили не только смоделировать взаимодействие систем, но и обнаружить наиболее активные реакционные центры, а также прогнозировать механизмы сорбции.

На первой стадии квантово-химического моделирования мною были визуализированы молекулы фенола (рис. 3) и поверхности угля (рис.4).

Рис. 3 Молекула фенола Рис. 4 Модельная поверхность угля

Далее смоделировала взаимодействие между молекулой фенола и модельной поверхностью сорбента в газовой фазе.

Наиболее устойчивые формы смоделированных адсорбционных комплексов представлены на рисунке 5.

АК 1 АК 2
АК 3 АК 4
АК 5 АК 6

В процессе образования адсорбционных комплексов происходит изменение основных параметров молекул адсорбата и адсорбента: длины связи, валентного угла и зарядов.

На основании данных, полученных при расчете с помощью суперкомпьютера Чебышев, я строила графики, проводила термодинамические расчеты, которые в последующем сравнивала с экспериментально полученными данными. Оказалось, что сопоставление модельных (RHF/PM3; 6-31 G/DFT) и экспериментальных данных позволили выявить оптимальный расчетный метод, позволяющий наиболее точно описать геометрические характеристики, полученных комплексных соединений. Наиболее точное приближение к экспериментальным геометрическим параметрам дает метод 6-31 G/DFT.

По итогам квантово-химических расчетов я смогла выделить наиболее реакционно-активные центры на поверхности модели угольного сорбента, в которые входят карбоксильные, карбонильные и гидроксильные группы. На основании проведенного исследования составила схему адсорбции фенола на поверхности угольного сорбента с указанием (→) наиболее активных центров (рис. 6).

Рис. 6 Схема адсорбции фенола на поверхности угольного сорбента

На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов мною была разработана структура базы данных в программе MS Access, которая предоставляет возможность оперативного поиска необходимой информации по физико-химическим свойствам адсорбционных комплексов «фенол – поверхность угля» и может быть полезна для специалистов, занимающихся адсорбцией веществ на поверхности угля.

Заканчивая работу, я поняла, что современная химия самым тесным образом взаимодействует с другими областями естествознания. А самое интересное в науке сегодня происходит на междисциплинарном уровне, на границах между химией, физикой, математикой и биологией.

Список использованной литературы

  1. Toxicological Profile for Phenol
  2. Харламович Г.Д. Фенолы/ Г.Д. Харламович , Ю.В. Чуркин– М.: «Химия», 1974. – 376с.
  3. Чухрина В.В., Золотарева Н.В. Сорбционное концентрирование фенола природным угольными сорбентами/ Фундаментальные и прикладные проблемы получения новых материалов: исследования, инновации и технологии // Материалы VII международной научно-практической конференции для молодых ученых 23-25 апреля 2013 г., стр. 88-90, 2013 г.
  4. Апостолова Е.С. Квантово-химическое описание реакций/Е.С. Апостолова, А.И. Михайлюк, В.Г. Цирельсон. – РХТУ им. Д.И. Менделевва. М.,1999. – 61 с.
  5. Gamess US
  6. ChemCraft

Об авторе


Виктория Чухрина – бакалавр естественно-научного образования, в настоящее время обучается в магистратуре по направлению «Зеленая химия» на Химическом факультете Астраханского Государственного Университета.

.


В статье использованы материалы: Моя лаборатория


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 05 июня 2015 10:31 
"А самое интересное в науке сегодня происходит на междисциплинарном уровне, на границах между химией, физикой, математикой и биологией."
... И ещё между тремя десятками наук, включая историю.
P.S.
Но вкусных копчёностей употреблять надо поменьше, фенол может быть вреден.

Vilisova Svetlana, 06 июня 2015 16:23 
Ужос, просто кошмар! Мы не знаем таких элементарных вещей. Давайте весь фенол заменим карболовой кислотой. Ее в медицине применяют вследствие полезности.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Скорлупа
Скорлупа

Все конкурсы юбилейной наноолимпиады открыты!
Открыты все конкурсы юбилейной XV Всероссийской олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" Как всегда, в ней найдет себя и школьник, и студент, и аспирант, и учитель, и молодой ученый. Удачи всем! Ждем ваших работ!

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Акустическая волна как смазка – звук гасит трение. Новый фуллерит из неклассического C32. Правила устойчивости для азота. Уроки природы. Глаз дрозофилы показал, как синтезировать многофункциональные нанопокрытия. Переключение долинной поляризации с помощью электрического поля.

Отборочный этап конкурса детских инженерных команд «Кванториада 2020»
С 20 ноября проводится международный конкурс детских инженерных команд «Кванториада 2020». Дедлайн отборочного этапа - 4 декабря 2020 года.

Спинтроника и iPod
В.В.Уточникова
В 1988 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг независимо друг от друга обнаружили, что электросопротивление композитов, составленных из чередующихся слоев магнитного и немагнитного металла может невероятно сильно меняться при приложении магнитного поля. В течение десятилетия это, казалось бы, эзотерическое наблюдение революционным образом изменило электронную промышленность, позволяя накапливать на жестких дисках все возрастающий объем информации.

ДНК правит компьютером
Бидыло Тимофей Иванович
Наиболее вероятно, что главным революционным отличием процессоров будущего станут объемная (3D) архитектура и наноразмер составляющих, что позволит головокружительно увеличить количество элементов. Сегодня кремниевые технологии приближаются к своему технологическому пределу, и ученые ищут адекватную замену кремниевой логике. Клеточные автоматы, спиновые транзисторы, элементы логики на молекулах, транзисторы на нанотрубках, ДНК-вычисления…

Будущее техники отразилось в идеальном нанозеркале
Кушнир Сергей Евгеньевич
Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что новинка способна улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.