_ Învățarea profundă dezvăluie secretele moleculare ale săruri explozive de perclorat

Perclorații sunt o clasă de compuși care sunt renumite pentru natura lor explozivă. Acest lucru ridică probleme de siguranță în timpul experimentelor care implică compuși complecși care conțin ioni de perclorat, deoarece exploziile pot fi declanșate chiar și de cel mai mic șoc sau căldură. Prin urmare, este important să studiem structura lor moleculară și să înțelegem motivul din spatele naturii lor explozive.

În acest context, o metodă numită analiza suprafeței Hirschfield a fost utilizată pe scară largă pentru vizualizarea și cuantificarea structurii cristaline și interacțiunile moleculare ale compușilor cristalin. O diagramă bidimensională a amprentei derivată din analiza Hirschfield arată în mod viu interacțiunile complexe din cristale.

În ciuda avantajelor lor, totuși, aceste metode se bazează doar pe judecata ochiului uman, limitând eficacitatea lor generală. Căutând o modalitate de a depăși aceste limitări, studii recente au explorat utilizarea metodelor de învățare profundă și inteligență artificială (AI) pentru analiză. Aceste studii au evidențiat potențialul beneficiu al utilizării AI pentru a dezvălui caracteristicile care sunt dificil de discernător pentru oameni.

Acum, pentru a realiza pe deplin potențialul analizei suprafeței Hirschfield, o echipă de cercetători, condusă de profesorul Takashiro Akitsu de la Departamentul de Chimie și Centrul pentru Știința și Tehnologia Focului de la Universitatea de Știință din Tokyo (TUS) din Japonia, a folosit recent învățarea profundă pentru a analiza suprafața Hirschfield a complexelor metalice de tip Salen. Echipa de studiu a inclus, de asemenea, Yuji Takiguchi, Shintaro Suda și profesorul asistent Daisuke Nakane, toți de la TUS.

Complexele de tip Salen sunt un domeniu de cercetare în curs de dezvoltare și profitabil, în primul rând datorită funcțiilor lor diverse. „Experimentele reale privind proprietățile explozive și termice ale acestor materiale sunt precise, dar extrem de periculoase și, prin urmare, utilizarea AI pentru a studia aceste proprietăți prin analizarea exclusivă a structurii cristaline poate fi destul de avantajoasă”, explică Akitsu. Concluziile acestui studiu au fost publicate în jurnalul FirePhysChem la 30 decembrie 2023.

Echipa a dezvoltat seturi extinse de date ale diagramelor de amprentă Hirschfield ale complexelor metalice de tip Salen stocate în Cambridge Crystal Database (CCDC) și a folosit învățarea profundă pentru a studia caracteristicile structurii cristaline care contribuie la explozivitatea lor. În acest scop, cercetătorii au folosit, de asemenea, un autoencoder variațional special, cu ajutorul căruia au transformat informațiile încorporate în imaginile de amprentă într-un vector cu dimensiuni reduse. Acest lucru le-a permis să studieze cantitativ formele parcelelor, ceea ce, până acum, se făcea doar calitativ.

Analiza lor a relevat că complexele metalice de tip salen lipsesc orice caracteristică structurală distinctivă, ceea ce indică faptul că natura lor explozivă este legate de legăturile chimice ale ionilor de perclorat și interacțiunile intermoleculare din jur.

Evidențiind importanța acestui studiu, prof. Akitsu explică: „În mod tradițional, domeniul ingineriei cristalelor s-a concentrat exclusiv pe interacțiunile micilor moleculele din cristale. Dar în viitor, interacțiunile din sistemele complexe vor câștiga semnificație. Aceasta înseamnă că studierea interacțiunilor lor intermoleculare va deveni și mai crucială. Noua noastră metodă poate ajuta la studierea unor astfel de interacțiuni prin înțelegerea structurii cristaline numai. În plus, poate contribuie, de asemenea, la descoperirea de noi medicamente și la avansarea cercetării catalitice.”

Acest studiu folosește și CCDC, care, în ciuda faptului că are peste 1 milion de intrări, este încă subutilizat. Mai mult, metoda inovatoare propusă în acest studiu poate promova utilizarea acestei baze de date și poate duce la descoperirea de compuși noi și interesanți.

În general, studiul oferă perspective asupra naturii explozive a percloraților, pe lângă faptul că prezintă și o metodă mai sigură bazată pe date pentru studierea proprietăților fizice ale compușilor, avansarea ingineriei cristalelor și a cercetării materialelor energetice.

(Fluierul)