В Образовательном центре «Сириус» впервые прошла программа по инфохимии. Это междисциплинарная наука на пересечении химии, биологии, компьютерных технологий и математики. Она изучает хранение и обработку информации на молекулярном уровне. Школьники под руководством преподавателей и наставников вели научно-исследовательскую работу и по итогам программы представили 26 проектов.
Партнером программы выступил Научно-образовательный центр инфохимии Университета ИТМО. Руководителем стала директор и ведущий профессор Научно-образовательного центра, кандидат химических наук Екатерина Скорб. Преподавателями выступили эксперты, студенты и аспиранты Высшей школы экономики, ИТМО и Российской академии наук. Специалисты предложили участникам более 30 тем научно-исследовательских задач, которые находятся в разработке у проектных групп. Вместе с наставниками участники погрузились в исследования.
Один из педагогов программы – выпускник профильного класса Президентского лицея «Сириус», а в настоящее время студент Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО Илья Тонкий. В «Сириусе» он курировал четыре проекта, один из них был посвящен разработке композитных фотокаталитических пленок на основе диоксида титана.
«Такие материалы являются перспективными для создания новых типов солнечных батарей. Это очень важное направление в современном мире, ведь энергетические ресурсы в конечном счете ограничены. Фотокаталитические пленки, полученные с помощью специальных химических реакций на основе диоксида титана, могут использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую», – рассказывает Илья.
В рамках еще одного проекта школьники изучали наноструктурированные полимерные пленки с помощью атомно-силового микроскопа.
«Такой микроскоп позволяет получать высококачественные изображения поверхности материалов на нанометровом уровне, что дает возможность детально исследовать структуру и свойства материалов. В данном проекте мы изучаем осаждение полиэлектролитов из растворов в зависимости от ионной силы, а также адсорбцию биологически активных молекул на тонкие пленки полиэлектролитных сборок. В конечном счете данныее исследования помогут создать материалы с новыми уникальными свойствами», – говорит Илья.
Десятиклассница Татьяна Плотникова из Московской области в 2022 году была в «Сириусе» на олимпиадной программе по физике. Инфохимия стала для нее совершенно новым направлением.
«Я занималась раньше проектами, но таких, где нужно совмещать и химию, и информатику, не было. На программе мне нужно было по известным методикам синтезировать вещества, а затем с помощью микроскопа, спектрофотометра и другого оборудования исследовать их свойства, например, могут ли они пропускать электрический ток. Вещества, которые я исследовала, имеют очень широкий спектр применения. В настоящее время прорабатывается вопрос об их использовании для солнечных аккумуляторов и батареек. До этого проекта я не работала с таким современным оборудованием и реагентами. Очень непросто было научиться делать синтезы. Несколько раз приходилось начинать сначала, но я очень рада, что в итоге смогла проделать всю работу», – делится Татьяна.
Еще одним педагогом на программе выступила инженер, аспирантка Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО Дарина Дармороз.
«Один из проектов, который я курировала на программе, связан с молекулярными машинами, управляемыми светом. Это достаточно новая тема в научном мире. Недавно было доказано, что молекулярные машины, управляемые светом, способны производить ориентированное движение на молекулярном уровне, а также выполнять макроскопическую работу, когда они встроены в надмолекулярные структуры. Также эти структуры широко применяются в таких системах, как микровортексы, или в создании микролинз. Однако при определенных условиях подобное движение необратимо прекращается. На проекте мы с ребятами моделировали другие молекулярные моторы, которые могли бы обойти эти ограничения, предсказывали их свойства и затем в коллаборации с проектной группой, которая занимается органической химией, синтезировали данные моторы. Очень надеемся, что наши разработки получится протестировать», – рассказывает Дарина.
.jpg)
Также на программе Дарина курировала проекты по моделированию растворителей для разного типа красителей. Это необходимо в сферах нефтехимии и химической и пищевой промышленности. Например, ребята учились выявлять красители в продуктах питания. В прошлом такие задачи были очень трудоемкими: много времени и ресурсов требовалось на подбор растворителей и необходимых соотношений. В настоящее время благодаря технологиям машинного обучения разрабатываются программы и базы данных, которые позволяют оптимизировать процессы.
Девятиклассница Анна Макарова приехала в «Сириус» из Волгограда. Девушка работала над проектной задачей под руководством Дарины.
«Я люблю и химию, и информатику, поэтому мне было интересно включиться в новую программу. Здесь я решала задачу, связанную с красителями. Это очень важный проект, мы изучали безопасные и вредные красители, ведь использование последних может быть вредным для человека. Сначала мы моделировали молекулы, затем рассчитывали энергию и димеры молекул, их энергию связи. Это нужно, чтобы сделать вывод о содержании красителей в продуктах питания. В будущем вижу себя специалистом, который будет создавать что-то новое и полезное для других людей», – говорит Анна.
Десятиклассник Султан Фастахиев из Санкт-Петербурга приехал в «Сириус» в четвертый раз. Ранее участвовал в интенсиве по химии и дважды становился участником июльских программ «Большие вызовы». Работал в направлениях «Умный город» и «Большие данные, искусственный интеллект, финансовые технологии и машинное обучение». Инфохимия, как и для многих других ребят, стала для него новым направлением.
«На программе я работал над двумя проектами. Первый был посвящен определению октанового числа бензина при помощи нейронных сетей.Эта методика позволяет существенно ускорить данную работу. Решения, которые существуют на сегодняшний день, не настолько точные, как нейронная сеть. В рамках второго проекта мы разрабатывали приложение для нейросети, которая может преобразовать снимок молекулы в ее SMILES. Это электронный код молекулы, с ним очень легко работать ученому при проведении исследований. SMILES позволяет цифровизировать все данные, которые у нас есть по молекуле, обобщить все знания и результаты. Я занимаюсь и химией, и IT-сферой. Считаю, что в современном мире важно развиваться в нескольких областях», – поясняет Султан.
Как отмечают педагоги, проекты, над которыми школьники работали на программе, являются действующими разработками ученых ИТМО.
«Инфохимия изучает, как можно создать искусственную клетку, как можно повлиять на инкапсулирование различных веществ, как запрограммировать молекулу и многое-многое другое. Это востребовано в разных сферах: от персонализированной медицины до создания новых лекарств и новых материалов. Помимо чисто химической составляющей, каждый проект раскрывал возможности машинного обучения и вычислительной техники. Сегодня технологии являются очень важными помощниками ученого. К тому же такая междисциплинарность поможет школьникам с очень разными интересами найти себя», – объясняет Илья Тонкий.
