数学方法可以在几小时内而不是几个月内预测晶体结构

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纽约大学的研究人员发明了一种数学方法，仅使用笔记本电脑即可在几个小时内预测晶体结构（这是开发许多药物和电子设备的关键步骤），而这个过程以前需要超级计算机花费数周或数月的时间。他们的新框架发表在《自然通讯》杂志上。
有机分子晶体是许多行业中的重要材料类别，从制药和农业到电子和炸药。晶体是构成许多非处方药和处方药、驱蚊杀虫剂、TNT 等炸药、半导体以及电视屏幕和手机中使用的发光技术的基石。
尽管分子晶体在许多日常产品中无处不在，但预测其三维结构的能力仍然是一项挑战，特别是当化合物可以结晶成多种形式时。在预测晶体结构的必要性方面有一个戏剧性的例子，科学家在 20 世纪 90 年代末发现，艾滋病毒药物利托那韦的胶囊后来从已知的晶体形式转变为一种未知但更稳定的形式。晶体结构的这种变化使该药物失效，并迫使其退出市场，直到研制出新的配方。
目前预测晶体结构的大部分方法都采用基于物理的方法，这些方法存在局限性，包括引入偏差和误差，或预测的晶体形式比实验中实际出现的晶体形式多。此外，这些方法需要强大的计算能力，可能需要数周到数月的时间，具体取决于组成分子的复杂程度。
纽约大学化学与数学教授、该研究的资深作者马克·塔克曼 (Mark Tuckerman) 表示： “这些基于物理的方法成本高昂、耗时长，而且其预测的准确性完全取决于输入的物理知识，这就是为什么人们开始推动计算方法来弥补这一缺陷。”
为了克服这一挑战，塔克曼和纽约大学博士后研究员尼古拉斯·加拉纳基斯开发了一种新的数学方法，他们将其命名为“晶体数学”，根据控制分子如何组装成晶体的纯数学规则和晶体环境的一些简单物理描述来预测晶体结构。
然后，Crystal Math 求解与晶体中分子排列相关的 13 个基本参数 - 包括分子的位置和方向以及晶体基本构建块的几何形状 - 以及定义晶体中每个分子形状的其他几何因素。
塔克曼和加拉纳基斯利用剑桥晶体数据中心验证了晶体数学的规则，该中心是一个包含数十万种已知有机分子晶体结构的数据库。具体来说，研究人员测试了他们假设的数学规则是否符合数据库中的结构，从而引导他们找到已知结构极有可能遵循的原则。
然后，他们将这些原理构建成一组方程，这些方程的解现在可用于预测数据库中找不到的分子晶体结构。阿司匹林和扑热息痛等常见药物的结构已知，因此被用作简单的测试案例。
接下来，研究人员利用 Crystal Math 方程式，将他们的程序应用于更复杂的分子晶体，包括高度灵活的分子，这些分子的结构不在数据库中，并获得了与实验中生成的结构高精度匹配的结构预测。
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塔克曼说：“到目前为止，我们的方程式似乎只给出了可通过实验实现的晶体结构，这解决了基于物理的方法倾向于‘过度预测’可能结构的数量的问题，这意味着一些预测的结构可能永远无法通过实验找到。”
重要的是，这些解决方案可以在标准笔记本电脑上仅用几个小时就能实现，而不需要基于物理的方法所需的长时间尺度和高性能计算机。
“解决问题的时间不再是几周到几个月——我们可以在一夜之间得到解决方案，因为解方程的速度相对较快，”塔克曼补充道。
《晶体数学》是塔克曼和加拉纳基斯七年来为这一大难题设计数学解决方案的成果。塔克曼的灵感主要来自瑞士数学家和晶体学家约翰·雅各布·布克哈特 1967 年的一篇论文，布克哈特认为应该可以用数学来预测晶体结构，但他并没有提出自己的解决方案。
55 多年后，塔克曼和加拉纳基斯基于数学的协议引起了制药行业的兴趣，并有望研究尚未发现的化合物并预测其晶体结构。
“开发新产品的能力取决于了解组成它们的化合物是否会结晶、可能有多少种晶体形式以及这些不同形式的稳定性，”塔克曼说。“通过我们的数学方法，可以测试许多化合物的结晶能力，并确定这些结构是否适合最终投放市场。”