Ученые ТПУ и Китая создали универсальный метод для точного «расчета» поведения молекул

Молекулы ведут себя по‑разному в зависимости от окружения: температуры, давления, соседних частиц. Чтобы предсказать их поведение, ученым нужно знать так называемую внутримолекулярную потенциальную функцию — своего рода «энергетический ландшафт», который определяет, как атомы в молекуле движутся и взаимодействуют. Однако точно рассчитать эту функцию для сложных многоатомных молекул долгое время было крайне трудно.

Классические методы хорошо работали лишь для простейших структур. Для более сложных приходилось прибегать к громоздким численным расчетам, что снижало точность и ограничивало возможности исследователей. В итоге страдали важные прикладные задачи: от создания новых материалов до моделирования химических процессов, происходящих в атмосферах далеких планет.

Новый аналитический подход вместо численных расчетов

Команда ученых из Томского политехнического университета и Хэйлунцзянского университета (Китай) предложила элегантное решение. Они разработали аналитическую методику, которая с высокой точностью определяет фундаментальные параметры молекул на основе их микроволновых и субмиллиметровых спектров. Метод работает в широком диапазоне теории возмущений — вплоть до четвертого-шестого порядка, что позволяет учесть тонкие эффекты, ранее недоступные для анализа.

«Разработанная нами аналитическая методика позволяет с высокой точностью определять фундаментальные параметры различных молекул на основе их микроволновых и субмиллиметровых спектров. Более того, она работает в широком диапазоне — вплоть до четвертого-шестого порядка теории возмущений. Это позволяет учесть более тонкие и слабые эффекты влияния на молекулу, по сравнению с тем, что было возможно ранее. Использование нового инструмента значительно сократит объем вычислений в спектроскопии и повысит их точность», — отмечают соавторы исследования, профессора Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Олег Уленеков, Елена Бехтерева и Ольга Громова.

На основе этих алгоритмов политехники создали программы на языках программирования MAPLE и Python. Они помогают определять фундаментальные параметры молекул без скрытых допущений, которые неизбежны в традиционных подходах.

Первые успехи: тест на сероводороде

Чтобы проверить, насколько новый метод точен, ученые апробировали его на молекуле сероводорода (H₂S). Результаты полностью совпали с современными высокоточными экспериментальными данными. Это подтвердило, что методика работает и может быть масштабирована.

«Новый подход подходит для самых разных многоатомных молекул. В будущем он позволит точнее предсказывать спектры и динамику молекул как в условиях атмосфер планет Солнечной системы, так и моделировать химические процессы на квантовом уровне», — говорится в сообщении пресс‑службы ТПУ.

Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования России (проект FSWW–2026–0046), а его результаты опубликованы в авторитетном научном журнале Chemical Physics (Q2, IF: 2,8).

В планах ученых — расширить метод на более сложные молекулы и более «высокие» параметры потенциальной поверхности, а также адаптировать его для применения к колебательным структурам молекул типа асимметричного волчка. В работе также участвовали магистранты ТПУ Сергей Сидько и Георгий Копытов, что показывает вклад молодых талантов в эту перспективную область.