Продолжение разговора с Владимиром Григорьевичем Цирельсоном, доктором физико-математических наук, профессором, заведующим кафедрой квантовой химии РХТУ им. Д. И. Менделеева о том как не отступать и не сдаваться
– Расскажите о перспективном научном направлении – неорбитальной квантовой кристаллографии.
– Объединение прецизионной рентгеновской дифракции и квантовой теории функционала плотности – это направление я назвал неорбитальной квантовой кристаллографией. Мы не рассчитываем многоэлектронную волновую функцию, а используем формулы, которые следуют из теории функционала плотности. Затем вводим в эти формулы полученную экспериментально электронную плотность и рассчитываем интересующее нас свойство молекулы или кристалла.
Интересно, что такой подход применим к изучению поведения химических систем под внешним воздействием. Например, когда вы сжимаете кристалл, появляется новая ситуация: ядра смещаются и тащат за собой электронное облако. Можно рассматривать этот процесс и с другой позиции: смещается и сжимается электронное облако и тащит за собой ядра. В результате электронная среда перестраивается, и если применить законы гидродинамики и законы механической упругости, то можно выяснить, как электронное химическое строение меняется под внешним давлением, понять, что надо сделать, чтобы изменять или генерировать свойства кристалла. Условно, давишь – кристалл станет фотореактивным, убираешь давление – фотосвойства исчезают.
Интересно, что такой подход применим к изучению поведения химических систем под внешним воздействием. Например, когда вы сжимаете кристалл, появляется новая ситуация: ядра смещаются и тащат за собой электронное облако. Можно рассматривать этот процесс и с другой позиции: смещается и сжимается электронное облако и тащит за собой ядра. В результате электронная среда перестраивается, и если применить законы гидродинамики и законы механической упругости, то можно выяснить, как электронное химическое строение меняется под внешним давлением, понять, что надо сделать, чтобы изменять или генерировать свойства кристалла. Условно, давишь – кристалл станет фотореактивным, убираешь давление – фотосвойства исчезают.
– Какие практические результаты можно получить, занимаясь исследованиями в этом направлении, – новые материалы, лекарства?
– Например, когда появился COVID, мы стали изучать, что нужно сделать с молекулой вируса, которая взаимодействует с клетками человеческого тела, чтобы вирус стал неактивным. Ферменты обладают так называемой субстратной специфичностью, то есть способностью эффективно проводить реакцию со строго определенным исходным веществом (субстратом). Была изучена активация субстрата ферментом и определен молекулярный механизм субстратной специфичности одного из важнейших белков коронавируса – основной протеазы. Этот фермент «разрезает» синтезированный полипептид на фрагменты в строго определенных местах, формируя набор белков, необходимых для функционирования вируса. Ингибирование (блокирование хода химической реакции) основной протеазы коронавируса останавливает выработку таких белков, и вирус погибает. Поэтому необходима разработка так называемых ковалентных ингибиторов, которые образуют ковалентную связь между ингибитором и ферментом и полностью блокируют работу последнего.
Чтобы такая химическая реакция проходила эффективно, необходима активация ингибитора ферментом, то есть нужно подготовить ингибитор для быстрой химической реакции. Разработанная методика дала возможность установить свойства электронной плотности в активном центре, понять молекулярный механизм необычной субстратной специфичности основной протеазы вируса SARS-CoV-2, а также отобрать перспективные ковалентные ингибиторы для экспериментальной проверки.
Чтобы такая химическая реакция проходила эффективно, необходима активация ингибитора ферментом, то есть нужно подготовить ингибитор для быстрой химической реакции. Разработанная методика дала возможность установить свойства электронной плотности в активном центре, понять молекулярный механизм необычной субстратной специфичности основной протеазы вируса SARS-CoV-2, а также отобрать перспективные ковалентные ингибиторы для экспериментальной проверки.
– Понятийный аппарат химии сложился до возникновения квантовой механики, и сейчас он представляет смесь классических и квантовых представлений. Можем ли мы, студенты, помочь в разработке нового понятийного аппарата, нового языка химии или это нам пока не по зубам?
– Это не по плечу огромному количеству взрослых химиков, имеющих степени и почетные звания. Для этого нужно действительно очень много знать. У меня есть лекции для курсов повышения квалификации. В них я рассказываю, какие модели атома были разработаны в конце XIX века. Сначала полагали, что атом – это такое желе, потом представляли его в виде кубика, потом – в виде других тел. Только когда в 1911 году Резерфорд провел свой знаменитый эксперимент, стало ясно, что атом – это ядро, окруженное электронами. И после этого вскоре в 1914 году появилась на свет теория Бора. То есть новое знание возникает, когда накоплена база необъясненных данных.
Конечно, я допускаю, что найдется какой-то студент, который с двенадцати лет читал книги и к семнадцати годам созрел для самостоятельной работы. Но недостаточно много знать, надо уметь генерировать новые идеи. Мои знания, например, требуют постоянного обновления, чтобы продвинуться вперед. Все это очень трудно.
Я Вам приведу пример, который услышал в первый день моего поступления в университет. Выступал профессор – делился своим жизненным опытом. Он сказал: «Абитуриент университета знает все. После первого курса он знает почти все. После второго он готов признать, что кое-что не знает. На третьем он что-то знает, чего-то не знает. На четвертом он больше не знает, чем знает. И на пятом он не знает ничего». То есть сначала ты охватываешь химию на уровне школы, потом начинаешь получать «лоскутные» знания в институте – кусочек неорганики, кусочек органики и так далее. Все это сливается в некий горизонт, и уж затем ты выбираешь свое направление.
Мои трудности и моя удача состояли в том, что так сложилось: я занялся изучением проблемы, как именно электроны распределены в молекулах и кристаллах. Эта тема сама меня нашла. Я начал работать в направлении, которое еще даже не сформировалось. Долгое время я занимался и теорией, и экспериментом, и вообще всем. У меня оказалось достаточно сил охватить все это. Но стоило больших усилий.
Конечно, я допускаю, что найдется какой-то студент, который с двенадцати лет читал книги и к семнадцати годам созрел для самостоятельной работы. Но недостаточно много знать, надо уметь генерировать новые идеи. Мои знания, например, требуют постоянного обновления, чтобы продвинуться вперед. Все это очень трудно.
Я Вам приведу пример, который услышал в первый день моего поступления в университет. Выступал профессор – делился своим жизненным опытом. Он сказал: «Абитуриент университета знает все. После первого курса он знает почти все. После второго он готов признать, что кое-что не знает. На третьем он что-то знает, чего-то не знает. На четвертом он больше не знает, чем знает. И на пятом он не знает ничего». То есть сначала ты охватываешь химию на уровне школы, потом начинаешь получать «лоскутные» знания в институте – кусочек неорганики, кусочек органики и так далее. Все это сливается в некий горизонт, и уж затем ты выбираешь свое направление.
Мои трудности и моя удача состояли в том, что так сложилось: я занялся изучением проблемы, как именно электроны распределены в молекулах и кристаллах. Эта тема сама меня нашла. Я начал работать в направлении, которое еще даже не сформировалось. Долгое время я занимался и теорией, и экспериментом, и вообще всем. У меня оказалось достаточно сил охватить все это. Но стоило больших усилий.
– Химия – это очень сложно и непонятно. Так считает большинство школьников. Как популяризовать химию, увлечь наукой?
– Нужно не снисходить до школьников, рассказывая простые какие-то вещи, а наиболее простым языком рассказывать о сложных и интересных вещах.
Первое, что нужно создать у школьника, – это иллюзию понимания. Потому что как только он упирается в то, что он не понимает, что вызывает трудности, то сразу начинает отступать. Не менее нужны и выдающиеся преподаватели, которые и знают предмет, и умеют его рассказать. Ведь это разные вещи, даже разные профессии. Поэтому учиться нужно у тех, кто владеет и тем, и этим мастерством. Мысль формулировать тяжело, а еще труднее ее донести до другого, потому что у другого своя голова, свои представления.
Первое, что нужно создать у школьника, – это иллюзию понимания. Потому что как только он упирается в то, что он не понимает, что вызывает трудности, то сразу начинает отступать. Не менее нужны и выдающиеся преподаватели, которые и знают предмет, и умеют его рассказать. Ведь это разные вещи, даже разные профессии. Поэтому учиться нужно у тех, кто владеет и тем, и этим мастерством. Мысль формулировать тяжело, а еще труднее ее донести до другого, потому что у другого своя голова, свои представления.
– У Вас много учеников и последователей. Откройте секрет: как у Вас получилось заинтересовать их квантовой химией?
– Во-первых, они заинтересовались конкретными проблемами, потому что студент очень хорошо чувствует, что перспективно, видит, что это что-то новое, живое. А когда тебя просят определить структуры веществ в пятьсот тридцать третьем классе соединений, это можно сделать – но это не зажигает.
Во-вторых, говорят, что со мной нелегко работать, но я те же требования предъявляю и к себе. Я себя не жалею. А это, как выяснилось, далеко не всегда отталкивает. Наоборот, если человек видит, что ты занимаешься чем-то большим, то он соглашается тебя потерпеть.
Во-вторых, говорят, что со мной нелегко работать, но я те же требования предъявляю и к себе. Я себя не жалею. А это, как выяснилось, далеко не всегда отталкивает. Наоборот, если человек видит, что ты занимаешься чем-то большим, то он соглашается тебя потерпеть.
– И напоследок. О чем Вы мечтаете – в науке и в жизни?
– В жизни я хочу простых вещей – здоровья себе и своим близким, чтобы все были живы. А в науке у меня еще осталось несколько задач, которые я хочу успеть выполнить. Например, написать книгу или обзор, в котором представлю неорбитальную квантовую химию в виде сформировавшейся области, где все не на ровном месте появилось, а выросло из теории функционала плотности.
Вообще людей, изучающих квантовую химию, я делю на две категории: одних я условно называю расчетчиками, а других – квантовиками. Расчетчики умеют пользоваться компьютерными программами, а квантовики ищут новые закономерности, новые явления и факты. Квантовик имеет другую, более высокую степень образованности, понимания. Расчетчикам проще, и часто их путают с квантовиками: все могут посчитать и понять, что посчитал, и даже написать это на бумаге. А это не квантовый химик. Квантовый химик должен искать новое. Задача науки – искать новое. А инженерам и технологам нужно воплощать это, доводить до изделий и приборов. Инженер – это великая ступенька в человеческой пирамиде. Он должен понимать фундаментальные вещи и знать, как их можно использовать. Это я Вам как сын инженеров говорю.
Вообще людей, изучающих квантовую химию, я делю на две категории: одних я условно называю расчетчиками, а других – квантовиками. Расчетчики умеют пользоваться компьютерными программами, а квантовики ищут новые закономерности, новые явления и факты. Квантовик имеет другую, более высокую степень образованности, понимания. Расчетчикам проще, и часто их путают с квантовиками: все могут посчитать и понять, что посчитал, и даже написать это на бумаге. А это не квантовый химик. Квантовый химик должен искать новое. Задача науки – искать новое. А инженерам и технологам нужно воплощать это, доводить до изделий и приборов. Инженер – это великая ступенька в человеческой пирамиде. Он должен понимать фундаментальные вещи и знать, как их можно использовать. Это я Вам как сын инженеров говорю.
Первую часть интервью читайте по ссылке
Беседовала: Шевчук София, Тм-39, ЦиТХИн