Среди большого количества углеводородов нет ясной связи, которая бы объясняла их устойчивость или неустойчивость. Учёные из Сколковского института науки и технологий предложили называть стойкие молекулы «магическими», сравнивая с ядерной физикой. Кроме того, при помощи специального алгоритма создали карту углеводородов, позволяющую предсказать стабильность даже неоткрытых молекул.
Термин «магичность» применяется для описания соединений, демонстрирующих аномальную устойчивость по сравнению с близкими по структуре элементами в данном ряду классификации. Разница между молекулами (или атомами) может быть лишь в одной или двух структурных единицах: например, в углеводородах — в одном атоме водорода и одном атоме углерода.
Впервые «магическими» стали называть определённое число протонов и нейтронов (или хотя бы одну из частиц), при котором изотопы радионуклидов неожиданно обнаруживали стабильность. В то время как их «родственники» с незначительно отличающимся составом ядра распадались очень быстро. В последние годы подобный подход предлагается для различных наночастиц.
Российские учёные во главе с Артемом Романовичем Огановым решили исследовать углеводороды, применив сходную концепцию. рассказываетСергей Лепешкин, один из авторов исследования, в пресс-релизе «Сколтеха» отмечает, что учебник по органической химии пугает разнообразием соединений углерода и водорода. Несмотря на успехи современной науки, доподлинно неизвестно, почему одни углеводороды стабильны, а другие нет. Закономерности этой разницы не выявлено. От устойчивости молекулы зависит не только простота ее синтеза, но и распространенность в природе.
Несмотря на логику, эмпирические наблюдения демонстрируют: стабильность углеводородов не определяется наименьшей энергией разрыва связи в молекуле. На значение влияет отношение этой величины к показателю для «соседних» соединений — отличающихся одним атомом углерода и одним атомом водорода. Учёные из «Сколтеха» решили проанализировать широкий спектр углеводородов, чтобы определить систему. Для этого был использован ранее разработанный группой Оганова алгоритм. USPEX (Всеобъемлющий Прогнозировщик Структуры: Эволюционная Кристаллография «Универсальный предсказатель структуры: эволюционная кристаллография». Полученные данные опубликованы в рецензируемом журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Программа моделировала связи в молекулах углеводородов и выбирала те с наименьшей энергией разрыва. Модели на конкурентной основе «обменивались» полученными в результате симуляции структурами. В итоге получился ряд соединений от CH до C20H42 с минимальными возможными энергиями разрыва связи между элементами. После сравнения показателя между каждой тройкой «соседей» получилась карта (на титульной иллюстрации), на которой хорошо видны пики, отражающие предсказанную аномальную стабильность молекулы.
Главное — полученные результаты согласуются с данными эмпирических наблюдений и экспериментов. Моделирование показало, что самыми стабильными оказались соединения, распространённые в природе и легко синтезируемые. Работа отечественных химиков может привести к обнаружению перспективных молекул, ранее не созданных в лаборатории или не найденных в естественных условиях. Разработанный алгоритмом «Сколтеха» можно адаптировать для других классов соединений.