RU 
EN 
CN 
ES 
Квантовая химия – сегодня не только теория, но и рабочий инструмент высокотехнологичных приложений, утверждают инициаторы профильной международной летней школы профессора Александр Мебель (Florida International University, Miami, USA) и Валерий Азязов (Самарский университет, Россия)
В Самарском университете завершилась международная летняя научная школа «Современные методы квантовой химии в приложениях». Известные в мире ученые передавали свой исследовательский опыт студентам старших курсов, магистрам, аспирантам и молодым специалистам университета. Необходимые при этом объемные компьютерные расчеты выполнялись с привлечением ресурсов Florida International University, Miami, USA и университетского суперкомпьютера «Королёв». Популярно о прикладных возможностях квантовой химии нам рассказали профессора Мебель и Азязов.
- Чем занимается квантовая химия?
Александр Мебель (А.М.): - Это область науки, которая описывает законы микромира. Она изучает строение атомов и молекул, а также их взаимодействия. На этом уровне действуют законы не классической – восходящей к Ньютону – механики, там используются представления механики квантовой.
- Получается, что химия плюс квантовая механика – это и есть квантовая химия. А в чем ее практическая значимость?
Валерий Азязов (В.А.): - Сегодня это не только теория. На ее основе создается множество реальных вещей. Так, без нее нельзя синтезировать новые фармакологические средства (в их числе лекарства), создать целый ряд современных приборов (тот же лазер, например). Мы занимаемся приложением квантовой химии к моделированию процессов горения топлива в газодинамических двигателях.
- Что при этом является предметом изучения?
А.М.:
- Взаимодействие в струе пламени углеводородов, входящих в состав топлива. Атомы и молекулы при определенных условиях могут сталкиваться между собой и вступать в реакции с выделением тепловой энергии, которая является движителем для авиационных и космических аппаратов. Мы рассчитываем вероятность, с которой происходят такого рода столкновения, а также параметры и характеристики соответствующих химических реакций.
- Насколько сложны ваши расчеты?
А.М.:
- В реакциях, о которых мы говорим, участвуют тысячи реакций между различными видами атомов и молекул. И это обусловливает повышенную сложность наших расчетов: для их выполнения требуются компьютеры с большим объемом памяти и высоким быстродействием.
- Хватает ли вам собственных вычислительных мощностей?
В.А.:
- Сейчас мы пытаемся использовать университетский суперкомпьютер «Королёв». А если выделенных нам мощностей (прежде всего, объема памяти) не достает, обращаемся к вычислительным кластерам в университетах Эмори (Атланта) и в Международном университете Флориды (Майами).
- Что при этом могут получить конструкторы двигателей?
А.М.:
- Квантовохимические методы являются базой для углубленного изучения газодинамики реактивных двигателей, используемых в авиации и космонавтике. Чтобы эти двигатели были эффективными, нужно обеспечить полноту и экологическую чистоту сгорания топлива. Нужно, чтобы при сгорании топлива не выделялись вредные для человека вещества, например, окислы азота. Действуя наобум, здесь многого не добьешься – сегодня требуется точно понимать, что происходит на микроуровне. В частности, знать константы скоростей химических реакций, важных для описания процессов горения. Их можно измерять опытным путем, что дорого и долго, к тому же, не всегда возможно проводить измерения при требуемых для горения условиях (высокая температура и давление). Но можно и рассчитывать с помощью квантовой химии, чем мы как раз и занимаемся.
- А дальше?
А.М.:
- Основываясь на этой информации, инженеры-конструкторы понимают, какое топливо нужно использовать и как изменить конструкцию двигателя (в частности, конструкцию камеры сгорания), чтобы он работал с высоким КПД и при этом не выделял вредных веществ - сажу, канцерогены, окислы азота и т.д.
- Во времена Королёва вопросы экологии вообще не поднимались…
А.М.:
- А теперь двигатель даже с очень хорошими рабочими характеристиками невозможно использовать, если при эксплуатации он выделяет вредные вещества: технические регламенты в сфере экологии весьма жесткие. Если не уметь делать соответствующие модельные расчеты, неизбежно отставание от мирового прогресса.
- Теперь мы можем понятно сформулировать, чему была посвящена Школа?
В.А.:
- Приложениям квантовой химии к моделированию процессов, протекающих в пламенях газодинамических горелок с разными составами топлива. Наша общая с двигателистами цель – создать модели, адекватно описывающие эти процессы.
Профессор Александр Мебель проводит занятия в летней школе
