Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение

📍Организация: Казанский Федеральный Университет 🏛
🧪Области науки: Машинное обучение, Молекулярное моделирование, Материаловедение

Чем мы занимаемся:
Деятельность лаборатории направлена на поиск новых алгоритмов построения сложных многокомпонентных материалов (гетероструктур и композитных полимеров) с совершенно новыми полезными свойствами, не присущими ни одному из его составляющих, перспективных для использования в качестве компонент устройств функциональной микроэлектроники и спинтроники с использованием современных методов машинного обучения/искусственного интеллекта, квантовомеханических расчётов, молекулярной динамики.

🔬Направления исследований:

— Исследование гетероструктур

👇🏻Подробнее на странице лаборатории
https://colab.ws/labs/347
#лаборатории

Разработан уникальный препарат для химиотерапии солидных опухолей

Ученые не только предложили новый эффективный препарат для лечения онкозаболеваний, но и провели уникальное мультидисциплинарное исследование множества его химических, фармакологических и прочих свойств. Исследователи изучали солидные образования, которые менее чувствительны к обыкновенной химиотерапии, чем те, которые образовались из клеток крови. Многие исследователи связывают это с наличием в них так называемого «гипоксического региона», обедненного кислородом. Недостаточное насыщения опухолевой ткани кислородом влечет за собой повышение общей устойчивости к химиотерапии и образование раковых стволовых клеток. Именно этот труднодоступный регион и был выбран химиками в качестве мишени для доставки лекарства.

Предложенный учеными препарат состоит из Pt (IV), находящейся в октаэдрическом комплексе с метронидазолом в аксиальном положении. Метронидазол в индивидуальном виде является в современной фармакологии золотым стандартом эффективного лечения анаэробных инфекций, которые вызывают перитонит, пневмонию, некоторые виды гангренозных заболеваний и множество других смертельно опасных болезней.

Как было показано в исследовании, в соединении с платиной это вещество действительно подавляет разрастание опухолевых тканей. В сравнении с похожими по структуре препаратами, которые также были синтезированы учеными, Pt-Mnz наиболее медленно распадается до цисплатина в организме и обеспечивает накопление этого комплекса не просто по всей клетке, но именно в «гипоксическом регионе». Эксперименты позволили ученым утверждать, что значительное улучшение цитотоксичности, стабильности и эффективности препарата достигается именно за счет введения в молекулу лекарственного препарата метронидазолов в аксиальном положении, восстановление которых эффективно протекает в среде, бедной кислородом

Работа опубликована в журнале 📕 Inorganic Chemistry (IF = 5.44)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/389
#новости

Ученые предложили новый материал для водородной энергетики

Сотрудники ИВТЭ УрО РАН 🏛 и УрФУ 🏛 создали новый материал для водородной энергетики. В его основу легли слоистые перовскиты. Они обладают хорошей проводимостью, также на их основе можно создавать системы, где в электричество будет конвертироваться энергия химических реакций.

Классический перовскит АВО3 (где А и В — два разных элемента, а О — кислород) представляет собой сеть восьмигранников, соединенных друг с другом всеми вершинами, и каждый атом кислорода включен в эту сеть. В слоистых перовскитах AA'BO4 восьмигранники связаны в слои, отделенные друг от друга слоями с кубической структурой каменной соли. Она является более «гибкой», чем у классического перовскита, что может открывать дополнительные возможности для ее усовершенствования.

Авторы работы решили модифицировать слоистые перовскиты BaLaInO4 (Ba — барий, La — лантан, In — индий, О — кислород), добавив в них атомы редкоземельного гадолиния, который также способен увеличивать проводимость материалов. В данном случае такой эффект обусловлен тем, что в системе изначально были редкоземельные ионы — лантана, — а добавка их «родственника» гадолиния привела к большему отталкиванию восьмигранников в кристаллической решетке. В результате пространство для переноса заряженных частиц расширилось.

Эксперименты показали, что модификация улучшила проводимость материала в сухих условиях примерно в 12 раз (в сравнении с исходным материалом), при этом ее обеспечивало в основном движение ионов кислорода. Во влажной среде добавлялся еще один механизм переноса заряда — протонный, то есть теперь носителями заряда были ионы водорода, что и необходимо для создания устройств водородной энергетики. В этом случае при температурах ниже 400°C добавка гадолиния улучшила проводимость в 20 раз.

Работа опубликована в журнале 📕Materials (IF = 3.75)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/392
#новости

⚡️Продолжаем серию постов-подборок лабораторий из научно-исследовательских организаций, которые зарегистрированы на платформе.

Санкт-Петербургский государственный университет🏛

🔬Гетероциклические полинуклеофилы и комплексы платиновых металлов на их основе

🔬Лаборатория азаполиеновых и илидных интермедиатов

🔬Лаборатория невалентных взаимодействий

🔬Химия координированных изоцианидов

Регистрируйте свой профиль, добавляйте лаборатории и присоединяйтесь к сообществу, объединяющему учёных и лаборатории по всей стране!🧬

Ученые выяснили, как криоконсервация влияет на эмбрионы млекопитающих

Ученые из Новосибирска решили выяснить, как заморозка скажется на поглощении и накоплении липидов у двух-четырехклеточных эмбрионов мышей, претерпевших криоконсервацию путем медленного замораживания или витрификации. В этом им помог метод рамановской спектроскопии и использование дейтерированных липидов, а именно стеариновой кислоты. Эмбрионы выдерживали в среде с добавлением изотопной метки, замораживали тем или иным способом, а затем размораживали и изучали.

Авторы выяснили, что после первого дня культивирования эмбрионы, развившиеся до стадии морулы (начинается с завершением дробления зиготы, характеризуется появлением полости) после криоконсервации, имели примерно в 1,8 раза более высокую концентрацию дейтерированной стеариновой кислоты, чем контрольные, без заморозки. В то же время в морулах после криоконсервации соотношение между количеством недейтерированных липидов и белков уменьшилось по сравнению с контрольной группой. Эмбрионы на стадии дробления (четырехклеточная клеточная стадия) после разморозки не демонстрировали существенных различий в концентрации меченых липидов по сравнению с контрольными.

Таким образом, данные рамановской спектроскопии свидетельствуют о том, криозамораживание увеличивает поглощение липидов из внешней среды, однако большую роль в этом играет стадия развития зародыша. Ученые предполагают, что дело может быть не в увеличении проницаемости мембран из-за криоповреждения, а в изменении активности генов, отвечающих за метаболизм липидов.

Результаты работы помогут при разработке протоколов культивирования эмбрионов после криоконсервации. С одной стороны, повышенная скорость накопления липидов может привести к более сильным липотоксическим эффектам для эмбрионов, а с другой — более активный метаболизм открывает возможности для их эффективного восстановления после разморозки.

Работа опубликована в журнале 📕Cryobiology (IF = 2.73)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/399
#новости

Новая модель точно опишет растворы сахаров

Моно- и полисахариды широко распространены в природе: в клетках они выполняют гомеостатическую функцию, образуют клеточные стенки растений. Для человечества они также оказываются чрезвычайно полезны: без этих веществ сложно представить себе пищевую промышленность, важную роль они играют и в фармацевтике. На их основе получают разнообразные материалы (например, для электрохимии и очистки воды) и ценные соединения — те же спирты.

Чтобы использование растворов сахаров было наиболее эффективно, важно уметь предсказывать их свойства при различных условиях, например, при определенной температуре или в присутствие солей. Для этого часто применяются методы молекулярной динамики, учитывающие взаимодействие молекул в системе, которые экспериментально бывает невозможно изучить. Это довольно сложна задача, требующая значительных ресурсов, однако точность все равно может быть недостаточной.

Ученые из МФТИ 🏛 построили достоверную модель, позволяющую с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. Для расчетов жидкостей часто применяются потенциалы межатомного взаимодействия, однако в данном случае классические не подошли, и авторам пришлось подобрать их специально.

Одним из ключевых преимуществ модели является то, что она может быть использована для исследования не только растворов сахарозы, но и для других сахаров. Это позволит подобрать оптимальные материалы, например, для мембран электрохимических элементов аккумуляторов.

Работа опубликована в журнале 📕 Journal of Molecular Liquids (IF = 6.63)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/402
#новости

Белок шелкопряда поможет понять, как защитить глаза

Семейство стероидогенных регуляторных белков (steroidogenic acute regulatory lipid transfer или START) отвечает за транспортировку различных гидрофобных (нерастворимых в воде) субстанций между разными тканями, клетками и частями клеток эукариот. У людей есть 15 белков из этого семейства, различающихся по специализации: одни переносят желчные кислоты, другие — различные стероидные гормоны, третьи — каротиноиды или другие молекулы. В структуре каждого такого белка образует специальная полость, внутри которой связывается молекула липида (жироподобного вещества). Минимальный фрагмент этого белка, который может выполнять эту функцию, называется START-домен, или STARD. В зависимости от репертуара связываемых липидов START белки получили разную нумерацию (от 1 до 15). По строению полости у белков START отличаются, что и определяет, какие липиды с ними будут связываться.

Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН 🏛детально сравнили структуру белка STARD3 и родственного ему белка BmCBP из тутового шелкопряда.

Каротиноиды играют большую роль в зрении человека, помогая защищать сетчатку от ультрафиолета и фотоповреждения, которые с возрастом могут вызвать ее дегенерацию. Если этих соединений не хватает в пище, зрение человека может ухудшиться. Именно поэтому полезно есть богатые каротиноидами продукты — например, ягоды, фрукты и зеленые овощи. Ученые показали, что белок BmCBP способен связывать каротиноиды различной природы, в том числе зеаксантин, лютеин, кантаксантин, астаксантин и другие, которые особенно важны для здоровья человека. С помощью направленного введения мутаций было показано, какие аминокислотные остатки белка BmCBP определяют его способность связывать каротиноиды, а также было обнаружено, что BmCBP гораздо более эффективен по части связывания каротиноидов, чем белок STARD3 человека.

Летом этого года та же группа ученых опубликовала статью, в которой была показана возможность получения функционального комплекса белка BmCBP с каротиноидами непосредственно в клетках кишечной палочки. Такое открытие позволяет получать физиологически активные формы каротиноидов в комплексе с водорастворимым белком BmCBP в клетках E.coli в биотехнологических масштабах.

Работа опубликована в журнале 📕 Structure (IF = 5.87)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/404
#новости

#конференции

📌Всероссийская конференция "Органические радикалы: фундаментальные и прикладные аспекты"

❗️Срок подачи тезисов продлен до 15 ноября!

🏛Место проведения — Москва, Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН 🏛
🗓Даты проведения — 15-16 декабря 2022;
⏰Сроки подачи заявок — до 15 ноября 2022;
👥Способ проведения — офлайн;
🔗Подробнее — по ссылке

Ученые предложили «обратную» стратегию образования С-О связи

Нуклеофильное замещение при атоме углерода — это фундаментальное органическое превращение. В его хрестоматийной версии нуклеофильный реагент замещает связанный с углеродом атом или хорошо уходящую группу атомов. Нуклеофильное замещение при электрофильном атоме углерода кислородным нуклеофилом является самой широко используемой стратегией для создания связей С-О.

В отличие от этого, нуклеофильное замещение при атоме кислорода встречается гораздо реже, поскольку связи O-X обычно неблагоприятно поляризованы, и богатые электронами атомы кислорода являются плохими мишенями для нуклеофилов. Поэтому «обращенные» подходы, когда углерод-центрированный нуклеофил реагирует с кислородным электрофилом, относительно мало распространены.

Ученые ИОХ РАН🏛 совместно с коллегами из Университета штата Флорида предложили неожиданную альтернативу общепринятым подходам к созданию С-О связей — взаимодействие O-электрофилов, таких как органические пероксиды, с углеродными нуклеофилами. Было обнаружено, что нуклеофильное замещение при атоме кислорода циклических диацилпероксидов электронно-насыщенным атомом углерода енолацетатов с последующим деацилированием приводит к α-ацилоксикетонам с дополнительной карбоксильной группой. Анализ процесса квантово-химическими методами показал, что ключевая стадия протекает как бимолекулярная нуклеофильная реакция замещения (SN2) при атоме кислорода (SN2@O). Используемый растворитель CF3CH2OH играет двойную роль, помогая на обоих этапах реакционного каскада: он снижает энергию активации SN2@O за счет образования водородной связи с отдаленным карбонилом и способствует деацилированию промежуточного катионного интермедиата.

Работа опубликована в журнале 📕 Journal of Organic Chemistry (IF = 4.20)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/403
#новости

#конференции

📌Школа "Структурная биология: основные проблемы и подходы к их решению"

🏛Место проведения — Москва, ИБХ РАН🏛
🗓Даты проведения — 22 ноября 2022;
⏰Сроки регистрации — до 18 ноября 2022;
👥Способ проведения — офлайн;
🔗Подробнее — по ссылке

Биотехнологи проверили новые противовирусные препараты на герпесвирусах

Чтобы проникнуть в клетку, вирусы должны сначала связаться с ее мембраной. Так, герпесвирусы, SARS-Cov-2, цитомегаловирус, папилломавирус и прочие взаимодействуют с гепарансульфат-протеогликанам клеточной оболочки. Если не дать им этого сделать, то заражение будет остановлено. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН 🏛вместе с коллегами из Института вирологии при медицинском центре Шарите в Берлине испытали перспективные новые соединения против мышиного штамма цитомегаловируса, человеческого цитомегаловируса и герпесвируса первого типа.

Производные диазадиспироалканов — это малые молекулы, в структуре которых имеются кольца с положительно заряженными ионами азота. Эти ионы притягиваются к отрицательно заряженным гепарансульфат-протеогликанам на клеточной стенке, опережая вирусы, тоже стремящиеся к ним прикрепиться. Такие малые молекулы мешают как первичному инфицированию, так и распространению на другие клетки. Кроме того, согласно исследованиям на мышах, соединения из этой группы имеют низкую токсичность для млекопитающих.

Одно из таких соединений, PDSTP, может стать препаратом нового типа против SARS-Cov-2, поскольку успешно прошло доклинические испытания. Кроме того, оно оказалось активно против вируса, вызывающего воспаление роговицы у кроликов, однако, благодаря своему механизму действия, такие препараты могли бы стать универсальными. Так, в новой работе авторы показали, что PDSTP и ее «родственник» могут работать и против герпесвируса.

Работа опубликована в журнале 📕Antiviral Research (IF = 10.10)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/408
#новости

Модификация позволила улучшить катализатор для получения этилена и пропилена

Полипропилен — популярный полимер, который находит применение практически в любых областях промышленности. Он используется как упаковочный и изоляционный материал, в строительстве, в дорожных работах и прочем. Рынок этого вещества по объемам занимает второе место после полиэтилена.

«Строительный кирпичик» полипропилена — пропилен — до 1990-х получали в процессе разложения нефти, затем основным его источником были другие производства, где пропилен был побочным продуктом. Еще в 1970-х годах нефтехимические компании нескольких стран разработали установку, которая может превращать смесь этилена и бутилена в чистый пропилен, и наоборот. Благодаря обратимости процесса всегда есть возможность сдвинуть равновесие в сторону продуктов или реагентов, изменяя условия так называемой реакции метатезиса. Ее суть заключается в перераспределении заместителей двух соединений с двойными связями.

Для проведения реакции обычно используют катализаторы на основе оксидов вольфрама, рения и молибдена. Последние наиболее перспективны, так как обладают большой стабильностью и высоко активны. Очень важную роль играет и основа, на которую наносится соединение металла. Классический вариант — оксид алюминия. В совокупности получается множество активных центров с разными свойствами.

Научная группа химиков МГУ 🏛 нашла интересное решение: они добавили в каталитическую систему фтор, который заменил некоторые гидроксильные группы на поверхности оксида алюминия. Модификация изменила характеристики катализатора и, следовательно, его эффективность. Ученые провели серию опытов с различными количествами фтора, и в результате вывели наиболее удачные условия синтеза, при которых конверсия возросла почти в пять раз, а селективность (чтобы протекала именно нужная реакция) составила 95%.

Работа опубликована в журнале 📕 Journal of Catalysis (IF = 8.05)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/409
#новости

Физики научились настраивать рельеф алмазов, поворачивая свет

Алмазы широко используются в физике благодаря не только своим высоким механическим, но и оптическим свойствам. Так, они могут применяться в составе квантовых устройств. Однако в таком случае нужно изменить определенные участки, например, чтобы они иначе пропускали, поглощали и испускали свет. Способов сделать это достаточно много, и один из них — лазерная абляция. Сконцентрированный в одной точке луч лазера нагревает материал и буквально испаряет его, в результате получается углубление. Очень важно уметь варьировать его размеры и, следовательно, свойства  всего кристалла.

Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН 🏛 выяснили, как влияет поляризация лазерного пучка на испарение материала с поверхности кристалла алмаза. Для этого образец облучали лазерными импульсами продолжительностью менее миллиардной доли секунды. Поляризацию излучения меняли — его пропускали через специальную пластинку, при повороте которой изменялась плоскость колебания волн. В результате лазерной обработки на поверхности кристалла появились углубления, структуру и размер которых авторы оценивали с помощью электронного микроскопа. Затем по величине получившихся кратеров рассчитывали пороговую энергию абляции — величину, описывающую то, насколько интенсивно алмаз испарялся с поверхности, что важно знать при его обработке.

Оказалось, что пороговая энергия абляции изменялась в зависимости от поляризации лазера. Соответственно, устанавливая пластинку определенным образом, можно управлять процессом испарения алмаза с поверхности. Так, удалось варьировать радиус кратеров приблизительно от 0,5 до 1,4 микрометров, то есть кратеры могли отличаться по размеру почти в три раза.

Работа опубликована в журнале 📕 Applied Surface Science (IF = 7.39)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/411
#новости

Слой из полимера защитит аккумуляторы от самовозгорания

Литий-ионные батареи используются везде: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей. Однако их безопасность вызывает вопросы: в них сочетаются активные окислители, восстановители и органические электролиты. Такое соседство может приводить к возгоранию и взрыву, а это, в свою очередь, — к травмам различной степени тяжести. Таким образом, разработка новых методов защиты от возгораний является важнейшим шагом на пути к созданию полностью безопасных батарей.

Как правило, возгорания происходят из-за теплового разгона батареи — резкого повышения температуры аккумулятора в аварийных режимах работы. Инициатором могут быть такие нежелательные явления, как перезаряд — состояние, когда аккумулятор имеет напряжение, превышающее предельное значение, — и переразряд, когда аккумулятор имеет напряжение ниже минимума. Перезаряд чаще всего происходит из-за неисправности зарядных устройств; с ним, например, связаны почти все известные случаи возгорания техники, находящейся на зарядке. Переразряд может вызываться неисправностью электронных схем устройства. Оба этих явления ведут к короткому замыканию внутри аккумулятора. Короткие замыкания могут возникать также из-за механического повреждения батареи и даже в обычных условиях, без какого-либо явного повода, — из-за дефектов сборки или ошибок проектирования аккумуляторов.

Группа ученых из Института химии Санкт-Петербургского государственного университета 🏛 синтезировала полимер поли[Ni(CH3 OSalen)], который чувствителен к температуре и напряжению, благодаря чему может быть успешно применен в качестве защитного покрытия литий-ионных аккумуляторов. Предложенный механизм основан на способности полимера переключаться между двумя фазами — проводящей и изолирующей — при переразряде или резком скачке температуры.

Во время исследования ученые провели ряд экспериментов, которые доказали возможность практического использования такого эффекта. Полимер при нанесении на аккумуляторы практически не влияет на их заряд или разряд при нормальных условиях, но ситуация резко меняется, если возникает короткое замыкание. Ученые показали, что полимер обеспечивает снижение тока, что вызвано падением проводимости защитного слоя. Такое явление ведет к медленному разряду без заметного повреждения материала электрода или разогрева.

Работа опубликована в журнале 📕 Batteries (IF = 5.94)

Читать новость на сайте👇🏻
https://colab.ws/news/413
#новости