Учёные нашли ошибку в самом распространённом методе теоретической химии

Учёные из Института элементоорганических соединений (ИНЭОС) РАН вместе с американским коллегой опубликовали в журнале Science доказательства того, что самый распространенный метод теоретической химии – теория функционала электронной плотности – шёл в неверном направлении последние 10 лет.

Как рассказал ведущий автор работы Иван Бушмаринов, метод широко применяется с конца 1970-х годов и давно вышел за пределы работ теоретиков, “грубо говоря, это квантовая химия “на коленке”.

“Теория заключается в том, что электронная плотность – распределение электронов в системе – определяет свойства системы, а энергия системы, записанная как функционал этой плотности, является минимальной в основном состоянии. Проблема в том, что точно записать такой функционал можно только в очень редких случаях (например, для газа свободных электронов)”,

– рассказывает Бушмаринов.

Все функционалы, используемые для расчёта реальных систем, являются результатами неких приближений – некоторые из них базируются на теории, а некоторые получаются исключительно численными методами, подгонкой параметров.

“В 2004 году произошёл перелом: увлечение подгонкой параметров к модельным системам начало приводить к тому, что (популярные новые) функционалы работали для них и только для них, они искусственно показывали низкую ошибку по энергии, а ошибка по электронной плотности начала расти… (То есть) в последние 10 лет методы теории функционала плотности двигались в неправильном направлении”,

– подчеркивает Бушмаринов.

Подсчёты “Ломоносова”

Чтобы доказать эту гипотезу, первый автор работы, аспирант ЛРСИ ИНЭОС РАН Михаил Медведев протестировал на российском суперкомпьютере “Ломоносов” практически все функционалы плотности, а их существует более 100. От первой идеи до завершения работа заняла около полугода.

“В этом смысле работу нельзя считать классически теоретической, на сегодня столь широкомасштабные квантовохимические расчеты можно считать экспериментом. Это было два месяца суперкомпьютерного времени. Таким образом, мы смогли прийти к суждению не о нескольких функционалах или системах, а о тенденциях развития теории функционала плотности вообще”,

– комментирует Бушмаринов.

“Полученные результаты входили в противоречие с принципом, известным любому программисту: нельзя с помощью алгоритма получить верный результат из неверных данных”,

– отметил Медведев, чьи слова приведены в пресс-релизе.

Третьим членом российской исследовательской группы стал Константин Лысенко из лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН.

Подсказка мастера

Получив на руки результаты расчетов на “Ломоносове” и сформулировав гипотезу, российские ученые обратились за помощью к одному из наиболее видных мировых специалистов в этой области – профессору Джону Пердью из Университета Темпл (США, Филадельфия).

Он указал на ошибку, изначально допущенную авторами: они использовали анионы (отрицательно заряженные ионы) как тестовые системы, а этого нельзя делать. После этого исправления все встало на свои места.

Пердью, один из самых цитируемых в мире физиков, стал официальным соавтором исследования, которое было успешно опубликовано в Science в конце 2016 года.

“Такой серьезный журнал не стал бы отправлять эту работу рецензентам, если бы в соавторах не было профессора Пердью. Это не русофобия, просто, действительно, неожиданно, чтобы трое кристаллографов бросили вызов существующей в теоретической химии системе. С другой стороны, если бы мы не пригласили американского профессора присоединиться к нашей работе, нам просто нечего было бы отправлять в журнал: именно он помог устранить несколько существенных ошибок на стадии подбора модели”,

– объясняет Бушмаринов.