04.05.2022 - Simon Fraser University

Forscher überbrücken die Kluft zwischen den Disziplinen, um chemische Reaktionen besser zu verstehen

Forscher der Simon Fraser University haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie chemische Reaktionen verstanden und gesteuert werden können. Die Ergebnisse ihres interdisziplinären Ansatzes wurden in Physical Review Lettersveröffentlicht .

Obwohl chemische Reaktionen sehr komplex sein können, folgen sie im Verlauf oft einer Reihe elementarer Schritte. In ihrer Arbeit fanden die SFU-Chemie-Doktorandin Miranda Louwerse und der Physikprofessor David Sivak heraus, dass die von einer Reaktionskoordinate gelieferte Information darüber, wie eine Reaktion verläuft, genau dem Wert entspricht, den diese Koordinate abgibt.

Ihre Ergebnisse deuten auf eine enge Verbindung zwischen zwei bisher getrennten Bereichen der Physik hin - der stochastischen Thermodynamik, die Energie- und Informationsänderungen beschreibt, und der Übergangspfad-Theorie, die Reaktionsmechanismen detailliert beschreibt.

Die Entdeckung einer Verbindung zwischen diesen beiden Bereichen hat es den beiden ermöglicht, einen Rahmen zur Quantifizierung der in der Systemdynamik enthaltenen Informationen über eine Reaktion zu schaffen, der ein physikalisches Verständnis dafür vermittelt, was es bedeutet, dass eine bestimmte Dynamik für diese Reaktion relevant ist.

Dieses Verständnis ist besonders nützlich, wenn es darum geht, Forschern bei der Navigation durch riesige Datensätze zu helfen.

Die Forscher stellen fest, dass es dank der Fortschritte in der Computertechnik einfacher denn je ist, komplexe Systeme und chemische Reaktionen zu simulieren, dass diese Simulationen jedoch neben nützlichen Informationen auch riesige Mengen an Fremddaten erzeugen können. Dieser Rahmen kann den Forschern helfen, das Signal vom Rauschen zu trennen, so dass sie genau verfolgen können, wie eine Reaktion abläuft.

In Zukunft wird dies Forschern und Ingenieuren dabei helfen, Engpässe bei der Herstellung von Chemikalien besser zu erkennen, so dass es einfacher wird, Eingriffe zu entwerfen, die eine bessere Kontrolle über die Reaktionen ermöglichen.

Durch eine gezielte Planung werden sie in der Lage sein, Chemikalien schneller und billiger mit weniger Abfall zu produzieren. Sie kann auch zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise von Arzneimitteln im Körper führen und Wege zur Entwicklung von Medikamenten mit weniger schädlichen Nebenwirkungen aufzeigen.

Diese Erkenntnis eröffnet auch einige interessante Möglichkeiten für eine bessere Kommunikation zwischen den Disziplinen. Die Feststellung der grundsätzlichen Gleichwertigkeit grundlegender Konzepte in verschiedenen Fachgebieten hilft Theoretikern, etablierte Theorien aus einem Fachgebiet auf das andere anzuwenden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Methoden zur Messung des Energieverlusts anzupassen, um Reaktionsmechanismen zu identifizieren, und könnte in Zukunft zu weiteren Erkenntnissen führen.

"Wir haben nicht danach gesucht", sagt Sivak. "Wir haben es bei der Untersuchung einer anderen Sache gefunden. Aber es passt gut in unser breites Forschungsgebiet, in dem wir das Zusammenspiel von Energie, Information und Dynamik in biologischen Funktionen auf molekularer Ebene untersuchen.

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