Ученые химфака МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с компанией «РТ-Техприемка» Госкорпорации Ростех разработали уникальное кроссплатформенное приложение Qphorus для квантово-химического моделирования и цифрового проектирования молекул. Приложение представили во время ципр-2025. Оно позволяет в едином окне редактировать молекулы, визуализировать электронные орбитали, спектральные колебания и молекулярную динамику в режиме реального времени. Платформа предназначена для применения в таких отраслях, как фармацевтика, медицинская диагностика, биотехнологии и химическая промышленность.
Разработка позволяет прочувствовать мир атомов и молекул, открывает возможность моделировать на квантовом уровне их динамику и предсказывать новые свойства материалов. Что это за разработка и чем она интересна — разбираемся в нашем материале.
Что такое виртуальный микроскоп и как он работает?
Прогресс компьютерных технологий произвел прорыв в квантовой химии, сделав ее ценным инструментом, позволяющим не только взглянуть на молекулу в мультимасштабном режиме, но и дать исчерпывающее ее глобальное и синтетическое описание. Такой подход можно сравнить с виртуальным микроскопом или томографом — используя принципы квантовой физики, мы объясняем и прогнозируем поведение материи на атомном уровне. Эта инновация дает возможность моделировать молекулы с невероятной точностью, наблюдая их в моменте и открывая путь к революционным разработкам в медицине, электронике и материаловедении.
С помощью специализированного ПО ученые могут наблюдать, как молекулы изменяют свое состояние под воздействием внешних возмущений, например, при поглощении излучения. Это дает понимание о внутренней структуре молекулярных включений, как частицы микромира взаимодействуют между собой, как молекула приобретает новые свойства и образы или вовсе разрушается.
Такой подход позволяет сократить количество реальных экспериментов, заменяя их экспериментами численными, что значительно экономит время и ресурсы. Технология доступна ограниченному числу стран, и Россия входит в их число.
Светящиеся наночастицы против рака
Одно из самых впечатляющих применений технологии — создание светящихся молекулярных агрегатов, которые могут использоваться для терапии рака. Эти агрегаты проектируются так, чтобы селективно накапливаться в раковых клетках, а в здоровых — нет. При облучении лазером с подходящей длиной волны, соответствующей максимуму поглощения агрегата, запускается реакция с образованием активных форм кислорода, которые убивают плохую клетку. Как результат — можно проводить лечение с ювелирной точностью, не затрагивая здоровые ткани. В воде молекулы могут объединяться в наночастицы разными способами, что влияет на их способность поглощать или испускать излучение. Наночастицы, не способные поглощать фотоны нужной энергии и теряющие способность светиться, не подходят для разработки на их основе лекарств.
Биочипы на основе молекулярных транзисторов
Еще одно направление — разработка биочипов, работающих на молекулярных транзисторах. Такие устройства по сути являются элементарными переключателями: скажем, у молекулы есть два устойчивых состояния, между которыми она переходит при поглощении кванта электромагнитного поля. Они энергоэффективны и невероятно быстры (скорость достигает десятков терагерц, что на порядки выше современных гигагерц). В отличие от традиционных чипов, они не выделяют тепло и могут стать основой для процессоров, которые увеличат мощность компьютеров и телефонов в тысячи раз.
Образование: новые возможности
Новый цифровой инструмент будет направлен на улучшение образования в области квантовой химии и инженерии. В России насчитывается более 600 вузов с химическими факультетами, а также тысячи школ, и доступ к квантовым моделям с визуализацией на квантовом уровне может значительно ускорить обучение студентов и погружение в отрасль.
Перспективы и вызовы
На данный момент технология находится на стадии расцвета, но впереди еще много работы по совершенствованию алгоритмов. Ученые стремятся к тому, чтобы не только моделировать молекулы, но и решать обратные задачи: проектировать вещества с заданными свойствами, проверяя, существуют ли они в природе или их нужно синтезировать. Это может стать настоящим прорывом в фармацевтике, создании материалов и медицине.
Совместные проекты с МГУ, в частности, с лабораторией квантовой фотодинамики химического факультета, и поддержка со стороны Ростеха позволяют России оставаться в авангарде этих исследований. В ближайшие годы планируется расширение доступа к платформе квантовой химии для студентов и инженеров, а также интеграция технологии в промышленные задачи.
Ранее мы рассказывали о том, что ИИ поможет принять быстрое решение врачам по лечению инсульта.