Так, вместе с коллегами из Гейдельбергского университета в стенах лаборатории квантовой химии ИГУ началось теоретическое изучение процессов межмолекулярного кулоновского распада.

Межмолекулярный кулоновский распад (ICD) – это физическое явление, описание которого было впервые сформулировано на основании теоретических расчетов профессором Гейдельбергского университета Лоренцем Цедербаум в 1997 году. ICD может происходить после воздействия ионизирующего облучения. В результате такого воздействия могут запускаться цепочки процессов, многие из которых на сегодняшний день мало изучены. Теория профессора Цедербаума была доказана экспериментально только через восемь лет.

– Для теоретика очень важно, когда его предположения получают экспериментальное подтверждение. Ведь многие говорят, если бы такое явление существовало, экспериментаторы его бы давно заметили. Нужно иметь достаточную силу воли и уверенность в своих идеях, чтобы убедить других, что никто не искал или просто не обращал внимания на проявления предполагаемого процесса, – объясняет Анна.

По сей день лаборатории находятся в постоянном контакте и регулярно обмениваются данными, опубликовано несколько совместных научных статей в высокорейтинговых журналах, в том числе в 2018 году вышла статья в журнале «Nature physics».

Нельзя не отметить, что проводимые расчеты уникальны. Их можно реализовать только с использованием специального подхода – метода алгебраического диаграммного построения (ADC), который также был предложен, разрабатывается и программно реализуется в Гейдельбергском университете в сотрудничестве с нашей лабораторией.

Недавно на развитие данных исследований получен грант Российского научного фонда (РНФ) для поддержки малых научных групп, период реализации – 2023-2024 годы. В рамках проекта под руководством Анны Скитневской будет проводиться «исследование эволюции электронных состояний с вакансиями внутренних уровней в гидратированных биомолекулах».

Об исследовании простыми словами

Электронные состояния – это варианты распределения электронов в молекулярной системе. Эволюция таких состояний – это изменения, происходящие во времени и возможные в том случае, когда для системы возможны более выгодные по энергии электронные состояния. Вспомните, как на уроках химии в школе мы рисовали квадратики и электроны внутри них. Тогда речь обычно шла о схематическом изображении наиболее выгодного электронного состояния, его еще называют основным, при этом какие-то квадратики оставались свободными – переход электронов в эти квадратики потребует энергии извне и будет соответствовать так называемому возбужденному состоянию. Если на систему действует большая энергия, один электрон может и вовсе покинуть ее – тогда речь идет об ионизации; при этом образуется электронная вакансия, которая может быть на «внешнем» уровне или где-то «глубже», если энергия облучения достаточно велика. В последнем случае электроны «внешних» уровней могут занимать более «глубокую» вакансию, ведь система всегда стремится к минимуму энергии, а излишки энергии будут выделяться в окружающую среду, вызывая вторичные процессы. При определенных обстоятельствах высвобождаемая энергия оказывается достаточной для ионизации соседней молекулы или атома.

Актуальность расчетов

Нарушение электронной структуры разрушительно для молекул, в том числе для биологических систем. Опасным является не только прямое облучение, вызывающее возбуждение или ионизацию, но и та энергия, которая высвобождается в ходе электронной релаксации. Оказывается, что излишки энергии могут быть израсходованы на ионизацию «внешних» уровней соседней молекулы и при этом можно избежать фрагментации той, которая была исходно ионизована. Более того, бывают процессы, – родственные межмолекулярному кулоновскому распаду, например, распад инициируемый переносом электрона, в результате которого изначально ионизованная молекула полностью возвращается в исходное состояние, а две соседние молекулы теряют электроны. Принципиальная возможность подобных процессов очень важна, когда мы говорим о биологических системах, ведь это означает, что электронная вакансия, образованная на биомолекуле в результате облучения, может быть передана, например, водному окружению. Важно понимать, как происходят такие процессы, будут ли они разрушительными или наоборот позволят сохранить целостность биомолекул.

– Как раз изучением этих закономерностей мы и занимаемся, – рассказывает Анна Скитневская. – Мы рассчитываем внести вклад в понимание механизмов повреждения и самозащиты биомолекул находящихся под воздействием облучения. Наши исследования актуальны для многих областей физики, химии, биологии, медицины и материаловедения, могут быть полезны в фотодинамической терапии, при разработке природоподобных механизмов защиты биосистем от последствий облучения, при изучении повреждения материалов в космическом пространстве, а, значит, для разработки износостойких материалов для космической отрасли, и во многих других областях фундаментальной и прикладной науки.