Математическое моделирование

«Давайте для начала возьмем воду, добавим в неё пять веществ и предположим, что они растворятся. На самом деле происходит не только растворение и последующее смешение. Важно другое — нередко вещества взаимодействуют друг с другом, образуя новые формы и соединения, — начинает рассказ профессор Александр Слободов. — Узнать опытным путем, каковы эти новые соединения в растворе, сегодня невозможно для минимально сложных систем. Решить проблему помогает математическое моделирование. Но для его полноценной реализации необходимы экспериментальные данные, однако даже в авторитетных справочниках они могут серьезно отличаться».

Результат взаимодействия веществ основывается на разнице энергий. Продукт, полученный в ходе химической реакции, обладает более низкой энергией, чем исходные вещества — это закон природы. Если возможный продукт обладает более высокой энергией, чем исходные реагенты, то он не образуется — реакция не идет.

Поэтому при моделировании задачи напрашивается простой метод: изучить все комбинации возможных продуктов реакции и выбрать вещества, которые соответствуют минимальной энергии, то есть, на языке математики, найти минимум функции при определённых значениях. Александр Слободов объясняет, что тогда физико-химическая задача — найти минимум или максимум энергии системы — переходит в математическую плоскость: необходимо найти решение экстремальной задачи, т.е. условного экстремума. И, опираясь на свойства отдельных веществ, можно получить свойства всей системы.

Однако, чтобы смоделировать процесс, надо знать его природу. Всё описать нельзя, поэтому необходимо понимать что влияет на реакции, а что — нет. Различать главное и второстепенное. До сих пор никто не может определить абсолютное значение энергии, но можно отследить её изменения и измерить количество теплоты. Чтобы описать превращение, особенно на языке математики, надо вникнуть в его процесс. «Главное ответить на вопрос не как, а почему?» — раскрывает секреты профессор.

Миеломная болезнь

Множественная миелома — редкая форма заболевания крови. На миеломную болезнь приходится 1 % среди злокачественных образований кроветворной и лимфатической ткани. При таком онкологическом заболевании определенный вид белых клеток крови, называемых плазмой, начинает аномально размножаться в костном мозге.

Клетки плазмы несут ответственность за производство антител, которые помогают организму бороться с инфекциями. При миеломе такие клетки выделяют в кости и кровь иммуноглобулин, который постепенно накапливается во всем организме. Частота различных классов множественной миеломы (G, А, M) зависит от исходного количества клеток, синтезирующих иммуноглобулин. Множественная миелома G встречается в три раза чаще, чем множественная миелома А, вместе они составляют 80 % случаев заболевания.

До сих пор этот вид онкологии считается неизлечимым, врачи способны только продлить жизнь пациенту. Каждому больному подбирается индивидуальный курс лечения. Благодаря современному оборудованию миелому можно диагностировать на ранних этапах и подобрать требуемую последовательность лечения и необходимые препараты персонифицировано.

Исследованием диагностики множественной миеломы на различных этапах его развития  занимается заведующая лабораторией ИТТЭК Людмила Плотникова. «Заболевание связано с изменением структуры белка, поэтому мы изучаем его трансформации. Помогает нам в этом ИК-спектометр, — рассказывает Людмила. — Мы делаем скрининг крови на основе сыворотки, которую нам предоставляют гематологи. Особое внимание обращаем на Амид I. Выделяем соответствующие пики, изучаем вторичную структуру, благодаря которой можем определить пространственное строение белковой части. И затем диагностировать, к какому классу относится заболевание, так как иммуноглобулины A, G и М отличаются по пространственной структуре. Например, A напоминает по форме гантель, G — половину гантели, M — звезду».

Смарт-материалы

«Умные» материалы изменяют свойства спектральных и термических характеристик при незначительных изменениях в структуре или под внешним воздействием. Такие вещества находят применение в сельском хозяйстве, биотехнологиях, медицине и других сферах жизни человека. «Подобные материалы могут изменять объем, электропроводность и другие характеристики под действием света, температуры, pH-среды или растворов, — объясняет руководитель института Майя Успенская.

В лаборатории исследуют сорбенты, в частности для нефти и нефтепродуктов — полимерные функциональные материалы, — способные «убрать» нефть с различных поверхностей. Ассистент лаборатории Екатерина Глазачева разрабатывает биодеградируемые полимерные сорбенты, используемые для ликвидации разливов на поверхности водоемов.  

«Сейчас полимерный материал находится на этапе разработки и синтезируется из трех компонентов: глинистый материал — бентонит, который покрывают полимерной составляющей, в нашем случае это акриловые производные в различных соотношениях и модификациях. Затем можно дополнительно нанести слой из микроорганизмов, которые будут окислять нефть», — объясняет Екатерина. Например, если бросить сорбент на участок воды с разлитой нефтью, полимер впитывает её в себя. Далее ученые собирают полученный материал, и микроорганизмы «доедают» нефть: разлагают её на более простые компоненты — углерод, кислород и углекислый газ.

«Съедобная» упаковка

«Съедобная» упаковка используется для изготовления упаковочных веществ. Основной их аспект заточен на биосвойствах: биодеградируемость (аэробное и анаэробное разложение веществ под действием природных факторов) и биосовместимость (свойство, которое характеризует совместимость с тканями животных и людей на молекулярном уровне). Сырьем для таких продуктов становятся биоразлагаемые и биосовместимые органические полимеры.

Инженер-исследователь МНИИ «Биоинженерия» Александр Подшивалов изучает композиционные материалы. Он рассказывает, что, например, для упаковочной пленки требуются одни свойства и характеристики используемых веществ, для бутылки — другие. Под определенную цель необходимо разработать конкретный композит, который будет конкурировать по цене и качеству с другими продуктами рынка. «Моя задача — решить проблему совместимости материалов, которые по своей природе не могут взаимодействовать друг с другом. Например, когда мы перерабатываем пластик, то расплавляем полимеры и смешиваем их. Несмотря на то, что материалы образуют разные фазы, если их расплавить и соединить, получаем один цельный кусок», — поясняет Александр.

Например, для совершенствования механических характеристик дешевого полиэтилена достаточно добавить туда немного дорогого полиамида. Однако конечные свойства полимерного композита зависят от того, как распределятся компоненты одного материала в матрице другого. Результаты этого фундаментального исследования могут пригодиться на производстве, чтобы совершенствовать качество текущих продуктов при меньших затратах.

Фото: Антон Мальков