Химия в мезопространстве

Как соотносятся экспериментальные и теоретические исследования в химической науке? Какие проблемы возникают при предсказании поведения элементов в химической реакции? Об этом рассказывает профессор Научно-исследовательского института Скриппса Валерий Фокин.

Химия как наука о веществах, молекулах, их превращениях развивалась от экспериментального к более теоретическому пониманию свойств молекул и того, как они друг с другом взаимодействуют. Безусловно, экспериментальный аспект остается очень важным до настоящего времени. Несмотря на то, что мы научились создавать и описывать уравнения, которые должны описывать всю систему математическим образом, предсказать ее поведение очень часто не представляется возможным просто потому, что взаимодействие всех компонентов описать с помощью математики и сложных систем уравнений нереально, так как мы не все их знаем и не все процессы можем смоделировать.

Каким образом можно планировать эксперименты с минимальным количеством затрат (экспериментов), но получать максимальное количество информации? Традиционный подход: зафиксировать большинство переменных и менять одну из них, получая некую закономерность. Затем построить из этого регрессию, численное уравнение, и тогда можно экстраполировать на другие условия. Безусловно, в других областях науки, например это основа статистики, и социальные процессы, и финансовые рынки, ученые пытаются моделировать именно таким образом. До дизайна эксперимента в химии это дошло совсем недавно. Большей частью занимались этим в промышленности, для того чтобы определить наиболее оптимальные условия для реакции.

Обрабатывать большие массивы данных — это удел природы, биологического катализа. Эволюция основана на возможности перебора большого количества комбинаций и выборе наиболее эффективных белков, ферментов для того, чтобы они проводили некие химические процессы. Перебор таких переменных и работа со сложными системами — удел природы. За многие миллионы лет эволюция перебрала множество аминокислот, которые построили цепочки, работающие для синтеза природных соединений.