Matematiikkaa kiderakenteen nopeaan ennustamiseen

New Yorkin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet matemaattisen lähestymistavan kiteiden rakenteiden ennustamiseen, mikä on kriittinen vaihe monien lääkkeiden ja elektronisten laitteiden kehittämisessä.

Huolimatta molekyylikiteiden läsnäolosta monissa jokapäiväisissä tuotteissa, kyky ennustaa niiden kolmiulotteiset rakenteet on edelleen haaste, varsinkin jos yhdiste voi kiteytyä useisiin muotoihin.

"Nykyiset fysiikkaan perustuvat lähestymistavat - jotka ovat kalliita ja aikaa vieviä - tuottavat ennusteita, jotka ovat vain yhtä tarkkoja kuin niihin laittamasi fysiikka, minkä vuoksi on edetty kohti laskennallisia menetelmiä, jotka voivat korjata tämän puutteen", selvittää Mark Tuckerman, kemian ja matematiikan professori NYU:ssa ja tutkimuksen vanhempi kirjoittaja.

Tämän haasteen voittamiseksi Tuckerman ja Nikolaos Galanakis kehittivät uuden matemaattisen lähestymistavan, jolle he ovat antaneet nimen "Crystal Math" ennustaakseen kiderakenteita puhtaasti matemaattisten sääntöjen perusteella.

Tutkijakumppanit vahvistivat Crystal Math -säännöt Cambridge Crystal Data Centerin avulla, joka on satojen tuhansien tunnettujen orgaanisten molekyylikiderakenteiden tietokanta.

"Yhtälömme näyttävät toistaiseksi antavan meille vain kokeellisesti toteutettavissa olevia kiderakenteita, mikä ratkaisee fysiikkaan perustuvien menetelmien ongelman, joilla on taipumus "yliarvioida" mahdollisten rakenteiden määrä, mikä tarkoittaa, että joitain ennustetuista rakenteista ei ehkä koskaan löydetä kokeellisesti.”, Tuckerman sanoo.

Tärkeää on, että ratkaisut voidaan saavuttaa vain muutamassa tunnissa tavallisella kannettavalla tietokoneella sen sijaan, että vaadittaisiin fysiikkapohjaisten menetelmien edellyttämiä pitkiä aikaskaaloja ja korkean suorituskyvyn tietokoneita.

Kaikki elävät olennot voivat reagoida ympäristöönsä monimutkaisten kemiallisten reaktioiden sarjan kautta. Tällainen informaationkäsittelyn muoto vaatii paljon vähemmän energiaa kuin digitaaliset tietokoneet. Tutkijat ovatkin vuosikymmenten ajan etsineet tapaa luoda uudelleen luonnon tavan käsitellä informaatiota molekyylien avulla.

Twenten yliopiston tutkijat onnistuivat jäljittelemään matemaattisia funktioita metalli-ioneilla. Tämä sisälsi polynomit, kuten lineaariset yhtälöt ja paraabelit, sekä loogiset Boolen funktiot, jotka tuottavat erilaisia tuloksia syötteen perusteella.

Tutkijat pystyivät ohjelmoimaan kemialliset reaktiot paitsi vastaamaan nykyisiin olosuhteisiin, myös "muistamaan" aiemmat tapahtumat. "Olemme löytäneet mahdollisen rakenneosan älykkäille järjestelmille", sanoo tutkija Albert Wong. Metalli-ionien avulla tutkijat hallitsivat autokatalyyttisten reaktioiden nopeutta.

Aiheesta aiemmin:

Matematiikkaa valon nopeudella

Laskentaa molekyyleillä