Изследователски направления

BG/ENG

Институт по органична химия с Център по фитохимия (ИОХЦФ ) – БАН

Основните направления за изследвания в базовия институт ИОХЦФ-БАН, които се нуждаят от използване на съвременни методи на изчислителната химия и от мощни изчислителни ресурси, могат да бъдат формулирани по следния начин:

– Конформационен анализ. Конформационна динамика на супрамолекулни функционални системи и големи пръстени с потенциални полезни приложения (модифицирани и големи циклодекстрини, циклодекстринови димери, макролидни антибиотици, хирални солватиращи съединения, псевдоротаксани, [2]-, [3]ротаксани и катенани). Моделиране на молекулни кристали.

– Теоретични изследвания на механизми и стереохимия на реакции. Молекулен дизайн на лекарствени и фотоелектронни материали. Биомолекулни и супрамолекулни комплекси и механизми. Кинетика и термодинамика на реакции в разтвор, обща киселинно-основна катализа. Механизъм на биоорганични реакции посредством стерично напрегнати субстрати. Количествени корелации на реакционната способност.

– Механизъм на реакции с пренос на протон в основно и възбудено състояние. Изотопен ефект. Тавтомерия на органични съединения. Теоретични изследвания на структурата и нелинейните оптични свойства на органични съединения: недотирани и дотирани спрегнати системи. Оптични и хирооптични свойства на хелицени. Квантово-химични изчисления на ЯМР параметри. Структура на координационни съединения. Теоретична хемометрика.

– Изследвания с неемпирични методи на лекарства, хранителни добавки, силни отрови и др., включително изотопно белязани, техните водородносвързани комплекси, а също така аниони-интермедиати във важни химични реакции. Проследяване на спектралните и структурните промени, предизвикани от превръщането на органични молекули в комплекси и аниони.

– Изследване с теоретични методи на химичния механизъм на действие на рибозомата при биосинтеза на белтъци, с цел дизайн на нови инхибитори на белтъчния синтез с потенциално приложение в медицината.

– Компютърни програми за: автоматичен анализ на мултиплети; подобряване на съотношението сигнал/шум; изчисляване на корелационни времена и енергии на активация на обща и вътрешно-молекулна преориентация; предвиждане на 13С спектри на природни съединения на основата на бази данни.

– Квантово химични пресмятания за изясняване връзката между химичната и електронната структура на спрегнати органични съединения, съдържащи хетероатом с процесите на излъчвателна и безизлъчвателна дезактивация на техните синглетни и триплетни електронновъзбудени състояния. Изследванията са насочени към възможността за приложението им като флуоресцентни лазерни багрила, pH сензори, флуоресцентни маркери за полимери, биополимери и наночастици, органични светоемитиращи диоди, фотосенсибилизатори за фотодинамична терапия на злокачествени тумори или пречистване на отпадъчни води, а също така и структурно охарактеризиране на биомолекули.

– Инфрачервена елипсометрия на тънки филми и спонтанно ориентирани монослоеве върху метални и силициеви повърхности.

– Вибрационен кръгов дихроизъм на ДНК олигонуклеотиди. Влияние на нуклеотидната последователност, рН, концентрация на NaCl и взаимодействие с антитуморни препарати върху структурата и конформацията на ДНК.

– Охарактеризиране на композитни материали със специфични редукционни, магнитни, адсорбционни и каталитични свойства на основата на метал/металоксидни наночастици, нанесени върху различен тип порести носители.

– Изясняване зависимостта на активността на различни природни антиоксиданти от тяхната структура, от типа на липидната система, от присъствието на биологично важни микрокомпоненти и от температурата. Компютърно моделиране на кинетиката на липидното окисление в присъствие на различни антиоксиданти.

Институт по физикохимия „Акад. Ростислав Каишев” (ИФХ) – БАН

Основните направления за изследвания в ИФХ-БАН, които се нуждаят от мощни изчислителни ресурси, са:

– Дискретни и непрекъснати модели на групиране на стъпала върху вицинална кристална повърхност с отчитане на електромиграцията на адатомите, Ерлих-Швьобелов ефект, прозрачност на стъпалата. Намиране на пространствени и времеви скейлингови зависимости за групите стъпала.

– Моделиране на растеж на електрохимични системи в условия далече от равновесие – дифузионно контролирана агрегация и растежни неустойчивости. Агрегация на клъстери, балистично отлагане и седиментация.

– Трансфер матричен подход към задачи от статистическата физика.

– Изледване на  структурните и динамични свойства и фазовите преходи на полимери, мембрани, мицели. Несамопресичащи се полимеризирани мембрани в тримерното пространство с помощта на Монте Карло компютърни симулации. Термодинамично поведение на мембраните и скейлингов анализ при различните фази на наблюдаваната поредица от фазови преходи на сгъване на мембраната. Аномална дифузионна динамика на несамопресичаща се полимеризирана мембрана.

Институт по обща и неорганична химия (ИОНХ) – БАН

Институтът по обща и неорганична химия е един от водещите химични институти на Българската академия на науките. През 2005 год., с финансирането на проекта MISSION, той беше утвърден от Европейската комисия като един от водещите центрове по нови функционални материали и процеси с екологична насоченост (Проект INCO 016414, FP6-2004-ACC-SSA-2). Проектът покрива изследвания в много области на неорганичното материалознание, дизайн на нови материали със зададени магнитни, оптични, електрохимични и биологични свойства както и свръхтвърди материали и покрития. Решават се и проблеми по опазване на околната среда, разработват се адсорбенти и катализатори за обезвреждане на токсични емисии в индустрията и транспорта. Разработват се и се валидират чувствителни и селективни методи за определяне на следи от елементи и матрични елементи, както и онечиствания на повърхности на твърди и природни продукти.

В ИОНХ-БАН се провеждат теоретични изследвания на електрични, магнитни, фотофизични и биологични свойства на неорганични системи в следните направления.

– Моделиране на периодични структури и клъстерни системи и процеси на адсорбция. Изясняване на формирането на нитрозилни и динитрозилни комплекси на Co2+ йони в зеолити.

– Електронна структура и свойства в твърда и газова фаза, и в разтвор; абсорбционни, емисионни и вибрационни свойства.

– Моделиране на геометрични структури на неорганични системи: начин на координиране на различни лиганди към преходни и лантанидни йони; енергия на свързване метал-лиганд, енергетични приноси към метал-лиганд взаимодействието (електростатичен, ковалентен и енергия на отблъскване).

– Термодинамична стабилност на неорганични системи, определяна от енергията на образуване по реакционна схема.

– Предсказване на реактивни места за електрофилни взаимодействия в газова фаза и разтвор чрез изчисления на молекулен електростатичен потенциал, функции на Фукуи, реактивни индекси и базичност. Предсказване на реакционна способност

– Симулиране на реакции на пренос на протон във възбудено състояние в разтвор.

– Изучаване на електронната и геометричната структура на лиганди-хромофори във възбудено състояние в газова фаза и в разтвор (абсорбционни и емисионни енергии в различни среди).

– Изучаване на междумолекулни и вътрешномолекулни взаимодействия и на взаимодействието метал-лиганд в 3d и 4f метални комплекси. Изследване на характера и силата на водородни връзки, както и на значението им за стабилизирането на молекулните геометрии.

– Изследване на солватохромен и йонохромен ефекти на неорганични комплекси в определени разтворители и в присъствие на метални йони.

Институт по катализ (ИК) – БАН

В Института по катализ усилията са насочени към изучаване на атомно ниво на процесите, протичащи на повърхността посредством методите на теоретичната и изчислителна химия, като специално внимание се отделя на процесите от  значение за обществото днес или в близко бъдеще. Област на специален интерес  от наша страна е систематичния анализ на тенденциите в хетерогенния катализ при някои реакции, процеси и материали. Основните направления, по които се провеждат изследвания в Института по катализ  с използване на съвременни методи на изчислителната химия, са:

– Тенденции на химичната реактивоспособност за реакции, протичащи върху преходни метали, окиси, сулфиди и нитриди. Строеж, електронни и химични свойства и връзката им с каталитичната активност на слоести материали. Морфология, електронна структура, и киселинно-основни свойства на γ-Al2O3 и ТiO2 повърхности. Електронни, магнитни и каталитични свойства на клъстери, наночастици и материали с намалена дименсионалност като модели на адсорбционен център. Спектрални свойства на адсорбирани молекули върху повърхности. Взаимодействие на въглеводороди с реконструирана повърхност Si(100)-(2×1) от пресметнати с теорията на функционала на плътността геометрични и вибрационна структури.

– Процес на хидро-очистване(хидродесулфониране). Реакции, протичащи на повърхността на молибденов дисулфид.

– Катализ за опазване на околната среда. Теоретично изследване на реакцията на СО+NО на чисти и нанесени върху МgO  катализатори.

– Методологични разработки: Изработване на ефективен метод на основата на теорията на функционала на плътността за числено определяне на Ван дер Ваалсовите взаимодействия: приложение към процесите на самоорганизиране, управляващи формирането на хибридни нанообекти.

Институт по полимери (ИП) – БАН

Синтезът на α-аминофосфонати привлече през последните години изследователски интерес  поради това, че те се разглеждат като структурни аналози на съответните α-аминокиселини и на преходни състояния, миметиращи пептидна хидролиза. Тези така наречени „фосфорни аналози” на аминокиселините и на фосфа-аминокиселините, при които карбоксилните групи са заменени с фосфонови групи, P(O)(OH)2, привлякоха особен интерес и са много обещаващи в изследвания насочени към откриването, обясняването и модифицирането на физиологични процеси в живите организми.

Показано беше, че N-фосфонометил глицин е особено ефективен за инхибиране на нарастването на Plasmodium falciparum, паразитът, който причинява малария. Има същия ефект и върху сходни видове едноклетъчни паразити като Toxoplasma и Cryptosporidium, което води до инфекции при серопозитивни. Изследователски екип на Procter& Gamble установи, че модифицирани N-фосфонометил глицини са особено ефективни в подтискане разпространяването на метастазите, нарастването на тумори, вируси, бактерии. Изследвания на зависимости структура-активност са от особено важно значение в тази насока.

Институт по инженерна химия (ИИХ) – БАН

Институт по инженерна химия при БАН е научна организация по инженерна химия от национално значение, както и основен национален изследователски център по инженерна химия и биоинженерство.The IChE is involved both in fundamental and applied research in the priority fields like “new technologies”, “economy of energy”, “environmental protection”. В ИИХ се провеждат както  фундаментални, така  и приложни изследвания в приоритетни области като “нови технологии – нанотехнологии”,  “икономия на енергия”, “защита на околната среда”.The principal areas of the research activity  are: Основните области на дейност са: · hydrodynamics, heat and mass transfer processes in multiphase systemsхидро, топло и масопреносни процеси в многофазни системи; · methods for optimal use and storage of energyметоди за оптимално използване и съхраняване на енергия; и· chemical engineering problems in catalysisнженерно-химически проблеми в катализаторните процеси; разработване  на стратегия за изучаване на процеса нанофилтрация; методи за оптимално използване и съхранение на енергия; п· practical aspects of biochemical processesрактически аспекти на биохимичните процеси (изследвания върху микро- и нано-свойствата на биокатализатори); к· computer simulation and controll of chemical systems.омпютърна симулация и контрол на химичните системи. The main achievements are in the development of new industrial processes, novel equipment and process technologies, creation of methods for optimised industrial design, control and renovation of chemical engineering systems.Основните постижения са в развитието на нови производствени процеси, модерно  оборудване и технологии, създаването на методи за оптимално промишлено проектиране, управление на  инженерно-химични обекти.

The Institute has developed and applied in industrial scale more than 20 new processes, equipment and systems with environmental or energy saving effects: contact economisers for utilisation of heat from flue gases of heat power stations; technologies and apparatuses for removal of toxic contamination from gas fluxes; new concepts for heterogeneous catalytic reactors; extraction technologies for producing and recovery of valuable or toxic substances from waste waters.Институтът е разработил и прилага в промишлен мащаб повече от 20 нови процеси, оборудване и системи за опазване на околната среда и икономия на енергия: контактни економайзери за използване на топлината от димните газове за топлинна енергия; технологии и апаратура за отстраняване на замърсяване от токсични газови потоци; нови концепции за хетерогенни каталитични реактори; технологии за извличане, производство и възстановяване на ценни или токсични вещества от отпадъчните води.

The studies in the field of biotechnology concern the kinetics of various fermentation and enzyme processes, practically applied for biological treatment of waste waters, and in the pharmaceutical industry. Изследванията в областта на биотехнологията се отнасят до изследване кинетиката на ферментация, ензимни процеси, на практика прилагани за биологично третиране на отпадъчните води, както и във фармацевтичната индустрия,  микро- и нано-свойства на биокатализатори и т.н. New methods are developed for optimal energy use in batch chemical and biochemical processes as well as for modelling of multicomponent liquid-vapour equilibrium.Нови методи са разработени за оптимално използване на енергията при химични и биохимични процеси, както и за моделиране на многокомпонентно течно-парно равновесие.

Scientific teams from the Institute participate in projects of the European programmes COST , TEMPUS, BIOSAP etc .Научният състав на института е признат на международно ниво за принос в развитието на течно-мембранни методи за едновременна екстракция и реекстракция, добив и концентрация на разтворени ценни или токсични вещества от отпадъчните води и природни източници. Научни екипи от Института участват в проекти на Европейските програми, Темпус, BIOSAP, COPERNICUS др. Informational networks  and education programmes are elaborated in collaboration with scientists of many European countries. Информационни мрежи и образователни програми са разработени в сътрудничество с учени от много европейски страни.

Централна лаборатория по биомедицинско инженерство “Проф. Иван Даскалов” (ЦЛБМИ) – БАН

ЦЛБМИ има утвърден изследователски опит в разработването, реализацията и приложението на изчислителни подходи и решения в изучаването на разнообразни химични, биологични и медицински обекти, което я прави уникална интердисциплинарна научна  организация.

В ЦЛБМИ – БАН се провеждат теоретични и приложни изследвания в областта на фармакологията и токсикологията чрез извеждане на количествени зависимости структура-активност (Quantitative Structure-Activity Relationships, QSAR) и разработване на молекулни модели за целите на предсказване на фармакологична активност, токсичност и изясняване на механизми на действие на биологично активни съединения. Основните цели са:

– моделиране на лиганд-рецепторни взаимодействия и насочен лекарствен дизайн (3D QSAR, фармакофорно и хомоложно моделиране, докинг и виртуален скрининг);

– оценка и предсказване на екотоксичност съобразно изискванията на новото Европейско химическо законодателство REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) и подпомагане на регулаторните агенции при оценка на химическия риск. REACH отделя специално внимание на алтернативни на in vivo тестването подходи като QSAR с цел намаляване на разходите и опитите с лабораторни животни.

Във връзка с тези цели се решават следните конкретни задачи:

– Извеждане на QSAR и 3D QSAR модели на различни класове биологично активни съединения, в това число: съединения с противотуморно действие; лекарствени съединения, модулиращи (преодоляващи) множествената лекарствена резистентност (multidrug resistаnce, MDR)  в туморни клетки; съединения, взаимодействащи с транспортния протеин П-гликопротеин (P-glycoprotein, P-gp), с ензимите цитохром P-450, УДФ-глюкуронозилтрансфераза (UGТ), циклооксигеназа (COX); инхибитори на рецептора на епидермалния растежен фактор (EGFR); съединения с антиоксидантна активност; лекарствени съединения, повлиявани от  кръвно-мозъчната бариера и др.

– Извеждане на фармакофорни модели на лекарствени съединения.

– Моделиране на рецептори и лиганд-рецепторни взаимодействия; построяване на хомоложни модели на биомакромолекули.

– Сравнителен анализ на алгоритми за виртуален скрининг: подбор на групи съединения и методи за докинг и виртуален скрининг; разработване на автоматизирана процедура за минимизация на малки молекули след докинг при работа с големи бази данни, както и минимизация на протеин-лигандни взаимодействия при работа с големи бази данни

– Извеждане на QSAR модели и валидизиране на съществуващи такива, предсказващи токсични ефекти, които са от интерес за регулаторните организации и химическата индустрия.

Централна лаборатория по оптичен запис и обработка на информация (ЦЛОЗОИ) – БАН

В ЦЛОЗОИ в рамките на плановите задачи и изпълняваните договори по 6-та РП на ЕС се разработват методики и устройства за целите на цифровата холография, фазово-стъпковата и спекъл-интерферометрия в реално време. За решаване на поставените задачи ЦЛОЗОИ разполага с двумерни фотосензори с висока разделителна способност, пространствено-времеви модулатори на базата на течни кристали и DMD (цифрови микро-огледални устройства), диодни и диодно напомвани твърдотелни лазери. Същевременно, реализирането на цифровите холографски методи като цифрово възстановяване на обекта от записана по цифров път оптична холограма, както и компютърно генериране на цифрови холограми, които се кодират върху фиксирана или динамична среда и се възстановяват оптично, за тримерни обекти изисква изчислителен ресурс, който не може да се осигури с наличните персонални компютри в ЦЛОЗОИ. Допълнителен изчислителен ресурс е необходим и за прилагане на разработените в ЦЛОЗОИ кохерентни интерферометрични системи за прецизни микро/макро измервания в реално време. Целта на тези изследвания е осъществяването на холографска микроскопия на  клетки in vivo, както и мониторинг на бързо-протичащи процеси. Актуална задача за ЦЛОЗОИ е и измерването на координатите на тримерни обекти с мултикамерна система в реално време за реализирането на триизмерен дисплей. Допълнителният изчислителен ресурс ще спомогне за решаването на обратни оптични задачи в характеризирането на тънки наноразмерни слоеве, за Монте-Карло моделиране в биомедицинската оптика, както и за разпознаване по признаци на двумерни обекти от информационни масиви.

Софийски Университет „Св. Климент Охридски”

В Химическия факултет (ХФ) на СУ има не по-малко от 3 групи, както и изследователи извън тях, които се занимават с изучаване на  най-разнообразни теми и обекти, свързани със съвременните технологии и материали посредством методи на квантовата и изчислителна химия и които се нуждаят от значителен изчислителен ресурс.

Направленията на научно-изследователска дейност в сферата на изчислителната химия в ХФ на СУ могат да се резюмират както следва:

–          Зонна структура, оптични, проводящи и магнитни характеристики на разнообразни органични делокализирани системи. Акцент в тези изследвания е поставен върху системи с голям размер или периодични свойства в едно или две направления: полимери със спрежение, пакетни полимери от делокализирани елементарни звена, графитоподобни структури, нанотръби. Дизайн на молекулно ниво на нови материали с желани експлоатационни свойства: молекулни устройства и среди за съхранение на информация.

– Моделиране на пространствената организация на проводящи полимери – дотиране, роля на противойони и влияние на разтворител.

– Индекси на реактивоспособност при изследване механизма на органични реакции.

– Структура и свойства на метал-органични високоспинови комплекси.

– Транспорт на заряди в ДНК. Инжектиране на заряди чрез комплексообразуване с електрон-акцепторни органични хромофори.

– Структура, организация, електрични, магнитни, диелектрични, термодинамични и нуклеационни свойства на неразтворими (Лангмюир’ови)  чисти и смесени монослоеве на фазовата граница вода/въздух с цел моделиране на екосреди, мембрани и на прекурсори на Лангмюир-Блоджет филми.

– Молекулно моделиране на зеолити и порести материали с помощта на квантово-механични, молекулно-механични и хибридни методи. Моделиране на адсорбция, спектрални характеристики и каталитични превръщания на газове, органични молекули или междинни съединения в протонни и катион-обменни зеолити.

– Механизъм на каталитични реакции  върху молекулни сита съдържащи йони на преходни метали. Структура, стабилност, магнитни свойства и реактивоспособност на клъстери от преходни метали със субнаноскопски размери в газова фаза или върху подложка.

– Моделиране на структура и реактивоспособност на подбрани хетероциклени съединения.

– Молекулни симулации на ИЧ и Раман спектри с абсолютни методи.

– Изследване на реакционни механизми, преходни състояния и интермедиати. Механизми на солволитични реакции, SN2 заместителни реакции и електрофилно заместване в ароматното ядро. Реактивоспособност на органични молекули при тези взаимодействия.

– Електростатични ефекти при реакции на органични системи.

– Електростатични ефекти при междумолекулни взаимодействия. Изследване на системи с водородни връзки.

– Конформационни равновесия при органични молекули.

– Молекулно моделиране на биоактивни съединения и установяване на връзка структура-активност (QSAR).

– Теория на квантовохимични явления на (метални) повърхности.

– Теория на сканиращи микроскопски техники.

– Квантова нанодинамика.

– Механизъм на декохериране върху твърди повърхности.

Наред с това, всички тези изследователи-преподаватели са активно ангажирани с образователна дейност и в трите степени на обучение, като традиционно техният контингент е сред най-силните студенти във факултета, които още в бакалавърското ниво се включват дейно в творческия процес. Особено активни в това отношение са студентите от профилите „Компютърна химия” и „Химия и информатика”, които от рано придобиват необходимите за целта знания и умения и се нуждаят от значителен обем машинно време. В магистърското ниво се предлага самостоятелна магистърска програма по Изчислителна химия с отлична реализация на всички студенти, които са я завършили. Изработването на дипломна работа към тази магистратура също изисква съществен компютърен ресурс. Отделни курсове, включващи молекулно моделиране и симулации, са интегрирани и в други бакалавърски и магистърски програми. Обучават се и значителен брой докторанти, за успешната работа на които достъпът до изчислителни мощности е решаващ фактор.

Разнообразието от научни теми и специализирани теоретични курсове показва високото ниво на преподавателския състав, което отдавна е намерило международно признание; липсата на съвременен компютърен парк е главна причина пропъждаща талантливите ни студенти зад граница и препятстваща притока на чуждестранни студенти в предлаганите програми.

Югозападен университет „Неофит Рилски” (ЮЗУ) – Благоевград

В катедра “Химия” на Природоматематическия факултет при Югозападен университет „Неофит Рилски” съществува група, която използва методите на Изчислителната химия за изследване на биологично-активни молекули.

Някои от най-важните проекти на групата през последните години са:

–  Изследване на радикал-улавяща активност на тиоамиди;

– Aнтиоксидантна активност на фенолни съединения;

– Aнтиоксидантна активност на мелатонина;

– Противоракова активност на спин-белязани нитрозоуреи.

Освен това, в бакалавърската програма на специалността “Химия” е залегнал задължителен курс по “Строеж на веществото” и изборен курс по “Компютърни симулации на строеж и свойства на молекулите” (вторият е влючен и в учебните планове на специалността “Методика на обучението по химия и физика”). В тези курсове, както и при подготовката на дипломни работи, студентите се запознават с основите на Изчислителната химия и в хода на обучението си изработват курсови работи, в които изграждат модели на молекули или група от молекули и свързват пресметнатите структурни параметри с активността на изследваните съединения.

Колеги от катедра “Математика”, “Информатика” и “Физика” проявяват интерес към възможностите на Изчилителната химия за подпомагане на собствени научни проекти.

Пловдивски университет „Паисий Хилендарски” (ПУ)

line
footer