التنقل مثل الدودة في متاهة كيميائية

نظرًا لأهمية مرور السعفة داخل متاهة النظام الكيميائي، كما هو الحال في الحفز الكيميائي، وبالنسبة للعمليات الكيميائية المهمة الأخرى، كثيرًا ما يستخدم العلماء عمليات المحاكاة الحاسوبية لقياس التفاعل بين السعفة والمتاهة.

نظرًا لأهمية مرور فرودا داخل متاهة النظام الكيميائي، كما هو الحال في الحفز الكيميائي، وبالنسبة للعمليات الكيميائية المهمة الأخرى، كثيرًا ما يستخدم العلماء المحاكاة الحاسوبية لقياس التفاعلات بين فرودا والمتاهة. في الماضي، كانت هذه المحاكاة باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً، لكن الآن طور باحثون من مختبر لورانس بيركلي الوطني خوارزمية جديدة يمكن أن تجعل عمليات المحاكاة المستقبلية من هذا النوع أبسط وأسرع، مع الحصول على نتائج أكثر دقة.

يوضح ماسيج هارانشيك، الكيميائي النظري: "في الوقت الحالي، العامل المحدد الرئيسي في إجراء عمليات المحاكاة الجزيئية لعدد كبير من الهياكل، بحيث يمكن استخدامها لاحقًا في تطوير مواد مفيدة جديدة، هو الحاجة إلى فحص هذه الهياكل بصريًا". . "بمساعدة نهجنا، يمكن إجراء هذا الفحص الهيكلي تلقائيًا، مما يؤدي إلى تسريع عملية مسح المواد بأكملها." ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

كان مفتاح نجاح هذه الخوارزمية الجديدة هو إهمال المعالجة التقليدية للجسيمات باعتبارها مجالات صلبة ذات نصف قطر ثابت. وبدلاً من ذلك، قام الباحثون ببناء "ديدان جزيئية" من وحدات متصلة بروابط مرنة. قدمت هذه الديدان الجزيئية وصفًا أكثر واقعية لهندسة الجسيم، وبالتالي قدمت صورة أكثر دقة لكيفية تنقله داخل متاهة كيميائية معينة.

ويوضح الباحث: "من الناحية العملية، فإن معظم الجسيمات التي تم اختبارها، حتى أبسط المذيبات أو الغازات، ليس لها بنية كروية، ومعاملة الجسيمات على هذا النحو تؤدي إلى حدوث أخطاء". "إن ديداننا الجزيئية قادرة على تغيير شكلها أثناء عبور المتاهة الكيميائية، وبالتالي فهي قادرة على الوصول إلى المناطق التي لا يمكن الوصول إليها تمامًا بواسطة كاشف كروي واحد أو كاشف صلب مصمم بشكل صحيح. تعمل هذه الطريقة على توسيع نطاق أجهزة الكشف والهياكل التي يمكن فحصها بشكل فعال."

أثناء تنقل جسيم ما داخل نظام كيميائي، تحدد درجة إمكانية وصوله إلى موقع أو موقع معين داخل النظام درجة حدوث التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك الحفز الكيميائي. وتقع العديد من هذه المواقع المهمة في أعماق مساحات مخفية، أو "جيوب" أو منافذ، أو تشكل نظام قنوات. يعد الحجم الذي يمكن الوصول إليه من النظام الكيميائي - أي الحجم المتاح للمادة المذابة التي تتخلله - ضروريًا أيضًا للخصائص الفيزيائية للنظام، بما في ذلك النبض واللزوجة والتوصيل الكهربائي. إن التنبؤ بقدرة Frode على العبور عبر متاهة كيميائية هو السؤال الأول الذي تلتزم المحاكاة بالإجابة عليه، وبعد ذلك يلزم وجود أقصر مسار للعبور، والكاشف الأكثر حجمًا القادر على العبور، وحساب الحجم الذي يمكن الوصول إليه.

ويوضح الباحث أن "الحسابات المطلوبة تصبح باهظة الثمن عندما نأخذ في الاعتبار تفاعل جميع ذرات الجزء المتخلل مع جميع ذرات المتاهة، وخاصة عندما يجب تكرار هذا الإجراء في كل مرحلة من مراحل التصوير". "بالإضافة إلى ذلك، في الديناميات الجزيئية، تتم دراسة مسار واحد محتمل فقط لكل جزيء. وبما أن الأبخرة المتخللة قد تستقر من جدران النظام قبل إيجاد مخرج، فإن رسم خريطة للحجم المتاح في المتاهة الكيميائية قد يتطلب إجراء عمليات محاكاة طويلة جدًا من أجل مراقبة مسار الأبخرة عمليًا.

وعندما جاء الباحث لجعل عملية فحص الفراغات الفارغة في المواد المسامية آلية، توصل إلى فكرة لجهاز كاشف يتحرك داخل المادة ويرسم مسارها. قام العالم المشارك سيثيان بالبحث في الأساليب الرياضية التي يمكن استخدامها في الملاحة الآلية وتخطيط المسار، بالإضافة إلى العديد من الخوارزميات لحساب الأشكال الهندسية في الأنظمة المعقدة. يوضح الباحث: "الأمر المذهل في عملنا هو الجمع بين عالمين مختلفين تمامًا لبناء طريقة جديدة تمامًا".

قام العالمان بتجميع خبراتهما لتطوير خوارزمية للدودة الجزيئية، والتي اختبروها لأول مرة على مادة الزيوليت. الزيوليت عبارة عن معادن دقيقة المسام تم استخدامها على نطاق واسع منذ الخمسينيات كمحفزات كيميائية، وكأغشية للترشيح، وكملينات للمياه. وهي مفيدة بشكل خاص كمحفزات لتفريغ المواد الألكانية في عمليات تكرير البترول.

وعلى الرغم من أن حوالي مائة وتسعين مبنى زيوليتيًا معروفًا اليوم، إلا أن هذا المبلغ يشكل جزءًا صغيرًا جدًا من حوالي مليونين ونصف المليون مبنى محتمل، والتي تعتمد على أساس نظري حسابي". "إن تطوير قاعدة بيانات لهياكل الزيوليت النظرية يعتبر منذ فترة طويلة خطوة مهمة نحو تصميم محفزات أكثر كفاءة. ومع ذلك، فإن المسح التقريبي لجميع هياكل الزيوليت الممكنة من خلال توصيف الديناميكيات الجزيئية لا يمكن تطبيقه حسابيًا، وبالتالي نشأت الحاجة إلى مسح سريع يعتمد على فحص أولي لخصائص معينة وتقليل فعال لنطاق الهياكل."

إن النجاح التجريبي لهذه الخوارزمية للدودة الجزيئية في الزيوليت النموذجي، والذي يستخدم لإذابة الألكانات، يفتح نافذة فورية لاستخدام الخوارزمية في المسح والعثور على الزيوليتات الجديدة بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من المواد المسامية الأخرى. وستكون الخوارزمية الجديدة أيضًا ذات قيمة كبيرة في العثور على المواد التي يمكنها احتجاز انبعاثات الكربون قبل وصولها إلى الغلاف الجوي. ومع مزيد من التحسينات، يمكن أيضًا استخدام الخوارزمية في المستقبل لدراسة البروتينات، وخاصة الإنزيمات.

الأخبار من معهد البحوث