Osmišljen je računski metod za pronalaženje prelaznih stanja u hemijskim reakcijama, koji u velikoj meri smanjuje troškove računanja uz visoku pouzdanost. U poređenju sa najšire korišćenom postojećom metodom, ova metoda smanjuje ukupne troškove računara za približno 50 do 70%.
Razvoj, dostupan na GitHub-u, spreman je da ubrza napredak u nauci o materijalima, čineći istraživanje hemijskih reakcija pristupačnijim i efikasnijim. To bi moglo dovesti do bržih naučnih otkrića i tehnoloških inovacija.
U hemijskim reakcijama, supstance prelaze iz jednog energetski stabilnog stanja u drugo, prolazeći kroz nestabilno prelazno stanje. Ovaj proces je sličan pronalaženju rute najniže nadmorske visine preko planine kada se prelazi s jedne strane na drugu. Razumevanje prelaznog stanja – vrhunca ove metaforičke planinske staze – ključno je za duboko razumevanje mehanizama reakcije.
Međutim, zbog prolazne i nestabilne prirode ovih stanja, njihovo eksperimentalno posmatranje i identifikacija su izazovni, što često zahteva kompjutersko istraživanje.
Ova studija se fokusira na računarske metode za pronalaženje prelaznog stanja između poznatog reaktanta i proizvoda. Ova vrsta pretrage prelaznog stanja optimizuje putanju koja povezuje proizvod i reaktant tako da on prolazi kroz prelazno stanje. Pošto je putanja obično predstavljena višestrukim tačkama na putanji (koje se često nazivaju slike), putanja se zapravo optimizuje postepenim ažuriranjem slika.
Metoda koja se danas najčešće koristi je metoda gurnute elastične trake (NEB). Jedan od glavnih izazova ove metode je to što je računarski skup. Dva su glavna razloga za to. Jedan je da je potreban veliki broj slika da bi se povećala rezolucija pretrage. Drugi razlog je taj što princip pretrage nije varijacioni (tj. minimizira funkciju cilja), tako da broj ažuriranja po slici takođe ima tendenciju da bude veliki.
Novoprimenjena metoda u ovoj studiji inovativno rešava ove probleme. Prvo, broj slika se može smanjiti na oko 3, pošto se intenzivno pretražuje samo region oko prelaznog stanja. Pored toga, princip pretrage je varijacioni, pa se može efikasnije rešiti. Konkretno, ciljna funkcija je definisana kao linijski integral eksponencijala energije duž putanje.
Performanse nove metode su procenjene na 121 hemijskoj reakciji i rezultati su upoređeni sa NEB metodom i njenom poboljšanom verzijom. Prvo, ova metoda je ispravno identifikovala prelazna stanja u 98% slučajeva. Ova tačnost je mnogo veća od NEB metode i uporediva sa poboljšanom verzijom. Drugo, sadašnja metoda je pokazala značajno smanjenje ukupnih troškova računara — oko 70% manje od NEB metode i 50% manje od njegove poboljšane verzije.
Da bi olakšali širu primenu, istraživači su svoj računarski program učinili dostupnim na GitHub-u. Napisan u Pithon-u i dizajniran da se koristi sa okruženjem za atomsku simulaciju (ASE), omogućava istraživačima da lako istražuju prelazna stanja specificirajući reaktante i proizvode.
Gledajući unapred, implikacije ovog istraživanja su ogromne. Olakšavanjem i bržim traženjem prelaznih stanja, metoda je spremna da ubrza istraživanje i razvoj u svim oblastima prirodnih nauka koristeći računarsku hemiju.
