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

Forscher der Simon Fraser University liefern neue Erkenntnisse darüber, wie chemische Reaktionen verstanden und gesteuert werden können. Ergebnisse ihres interdisziplinären Ansatzes wurden in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Obwohl chemische Reaktionen sehr komplex sein können, folgen sie im Verlauf oft einer Reihe von elementaren Schritten. In ihrer Arbeit, SFU Chemie Ph.D. Die Studentin Miranda Louwerse und der Physikprofessor David Sivak fanden heraus, dass die von einer Reaktionskoordinate bereitgestellte Information darüber, wie eine Reaktion abläuft, genau der Auflösung dieser Koordinate entspricht.

Ihre Ergebnisse weisen auf eine tiefe Verbindung zwischen zwei zuvor unterschiedlichen Bereichen der Physik hin – der stochastischen Thermodynamik, die Energie- und Informationsänderungen beschreibt, und der Übergangspfadtheorie, die Reaktionsmechanismen detailliert beschreibt.

Die Entdeckung einer Verbindung zwischen diesen beiden Feldern hat es dem Paar ermöglicht, einen Rahmen zu schaffen, um die in der Systemdynamik enthaltenen Informationen über eine Reaktion zu quantifizieren, was ein physikalisches Verständnis dafür liefert, was es bedeutet, dass eine bestimmte Dynamik für diese Reaktion relevant ist.

Dieses Verständnis ist besonders nützlich, um Forschern dabei zu helfen, sich in riesigen Datensätzen zurechtzufinden.

Die Forscher stellen fest, dass Fortschritte in der Computertechnik es einfacher denn je machen, komplexe Systeme und chemische Reaktionen zu simulieren, aber zusammen mit nützlichen Informationen können diese Simulationen riesige Mengen an Fremddaten erzeugen. Dieser Rahmen kann Forschern dabei helfen, Signal von Rauschen zu trennen, sodass sie genau verfolgen können, wie sich eine Reaktion entwickelt.

In Zukunft wird dies Forschern und Ingenieuren helfen, Engpässe in der Produktion von Chemikalien besser zu identifizieren, wodurch es einfacher wird, Interventionen zu entwerfen, die eine bessere Kontrolle über Reaktionen ermöglichen.

Durch geführtes Design werden sie in der Lage sein, eine schnellere und billigere Produktion von Chemikalien mit weniger Abfall zu erreichen. Es kann auch zu einem gründlicheren Verständnis der Wirkungsweise von Arzneimitteln im Körper führen und Wege zur Entwicklung von Arzneimitteln mit weniger schädlichen Nebenwirkungen aufzeigen.

Diese Einsicht wirft auch einige faszinierende Möglichkeiten für mehr Kommunikation zwischen und zwischen den Disziplinen auf. Die Feststellung der grundlegenden Äquivalenz zwischen grundlegenden Konzepten in verschiedenen Bereichen hilft Theoretikern, etablierte Theorien von einem Bereich auf den anderen anzuwenden. Dies eröffnet Möglichkeiten, Methoden zur Messung der Energiedissipation anzupassen, um Reaktionsmechanismen zu identifizieren, und kann in Zukunft weitere Erkenntnisse liefern.

„Danach haben wir nicht gesucht“, sagt Sivak. „Wir haben es im Zuge eines anderen Studiums gefunden. Aber es passt gut in unser breites Forschungsgebiet, das das Zusammenspiel von Energie, Information und Dynamik in biologischen Funktionen auf molekularer Ebene versteht.“