В ИТМО будут моделировать новые лекарства и микроэлектронику

В ИТМО открылась лаборатория цифровой химии. В ней под руководством химика-теоретика Михаила Медведева команда школьников и молодых ученых из разных городов России будет разрабатывать ИТ-инструменты для дизайна новых соединений и построения молекулярных моделей химических процессов — в том числе с использованием вычислительных систем, имитирующих работу человеческого мозга. Результаты исследований помогут в создании новых лекарств, микроэлектроники, а также добавок для продления срока службы автомобильных двигателей. Об этом объявил вице-губернатор Санкт-Петербурга Владимир Княгинин.

Чтобы определить, подходит ли то или иное химическое соединение на роль, например, компонента солнечной батареи или потенциального лекарства или как оно будет взаимодействовать с другими молекулами, важно знать его свойства, строение и характер связей между атомами. Получить эту информацию можно постфактум, изучив созданное вещество с помощью физико-химических методов (например, титрования, определения концентрации конкретного вещества в растворе, и спектроскопии, изучения взаимодействия электромагнитного излучения с веществами). Или еще до синтеза, проанализировав нужные параметры подходящих молекул методами теоретической химии — расчетами и компьютерным моделированием. 

Второй способ — более выигрышный: он экономит время и реактивы, позволяя кратно уменьшить количество экспериментов.

В новой цифровой лаборатории ученые смогут быстро и высокоточно устанавливать природу поведения химических систем и создавать новые соединения с нужными свойствами: в этом им помогут компьютерное моделирование, квантовая химия и искусственный интеллект. Лабораторию возглавил Михаил Медведев, научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО, руководитель Группы теоретической химии в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Сейчас в его команде уже работают больше 60 молодых ученых в области химии, физики и информационных технологий — это школьники, студенты и аспиранты из разных городов России (среди них ученые из ИТМО, МГУ, НИУ ВШЭ, РХТУ и ТулГУ).  

«Новая лаборатория в одном из ведущих университетов России станет магнитом для талантливых школьников и студентов, которые хотят развиваться на стыке химии и айти и решать фундаментальные научные задачи, важные для города и страны. Работая в междисциплинарной команде мотивированных специалистов, где каждый знает свои роль и цели, они смогут приобрести необходимый профессиональной опыт и построить успешную карьеру ученого», — сказал Владимир Княгинин, вице-губернатор Санкт-Петербурга.

Ключевое направление лаборатории — разработка подходов для моделирования химических реакций. Несмотря на фундаментальный характер исследований, проекты востребованы и бизнесом. Так, по запросу ведущих компаний команда Медведева строит молекулярные модели технологических процессов, которые важны для создания современных микроэлектронных устройств. Также ученые разрабатывают программы на основе искусственного интеллекта и машинного обучения, значительно упрощающие и ускоряющие химические исследования. Например, ИТ-решения могут предсказывать свойства соединения только из его названия или подсказать, какие материалы и условия нужны для синтеза новых веществ. 

Еще одно направление — нейроморфные вычисления. С помощью нейроморфных сетей, похожих по структуре и работе на мозг, ученые планируют понять принципы взаимодействия нейронов и приблизиться к ответу на вопрос, как устроено мышление.

«В перспективе я планирую создать сеть децентрализованных лабораторий, где смогут работать ученые со всей России, а в будущем — и со всего мира. Уже сейчас мы сотрудничаем с исследователями из многих ведущих НИИ и университетов, включая МГУ, Сколтех, Университет Флориды. Вместе мы будем углублять понимание устройства мира и использовать его для решения прикладных задач, в том числе в интересах наукоемкого бизнеса», — сказал Михаил Медведев, руководитель лаборатории теоретической химии ИТМО.

Результатами работы лаборатории смогут воспользоваться ученые российских и иностранных университетов — данные будут публиковаться в открытых репозиториях и научных публикациях.

«С помощью ИТ-решений мы можем с высокой точностью узнать строение, поведение и свойства сложных систем. Эти данные можно использовать для разработки новых соединений в разных сферах — от нефтепереработки до пищевой промышленности и биомедицины. Например, мы разработали систему для обнаружения остатков антибиотиков в обезжиренном молоке, а вместе с научно-техническим центром "Газпром нефти" исследуем противоокислительные присадки для смазочных материалов, чтобы продлить срок службы автомобильных двигателей. Также цифровые инструменты помогут рассчитать поведение молекул для синтеза новых более эффективных лекарств», – сказала Екатерина Скорб, профессор, директор научно-образовательного центра инфохимии ИТМО.

Открытие лаборатории профинансировал Фонд поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга.