Источник: Vaping Post

Открытия вычислительной физики о двух самых популярных алкалоидах мира приглашают нас спуститься на квантовый уровень, где материя подчиняется собственным законам, а язык симуляции позволяет раскрыть то, что не могут уловить наши чувства. Здесь, на пересечении химии, информатики и тела, возникает молекулярная картография, которая не только объясняет, но — прежде всего — задает вопросы.

Эти вещества вплетены в наши ритуалы с привычностью старого жеста: в энергетическом напитке, обещающем продуктивность, в сладкой газировке за обедом, в чае, который успокаивает или бодрит, в пластыре, призванном освободить от привычки, в лекарствах, купленных без рецепта и подозрений.

Кофеин и никотин, возможно, самые интимные алкалоиды современности — неприметные, но настойчивые, встроенные в социальное тело с естественностью, маскирующей их силу. Однако их вездесущность не должна усыплять наш взгляд: это биоактивные молекулы со сложными эффектами, чье фармакологическое, токсикологическое и экологическое влияние остается предметом научных исследований, регуляторных споров и публичных дискуссий.

Что, если перестать смотреть на эти вещества через призму клинических проявлений или макросоциальных последствий и вместо этого погрузиться в территорию, где всё начинается: в их электронную структуру, внутреннюю вибрацию, их «квантовую душу»?

Именно такую задачу поставило недавнее исследование, опубликованное в Scientific Reports (2025) группой ученых из Непала и Эфиопии. Используя методы вычислительной химии, команда под руководством Маноша Саха детально изучила молекулярное поведение кофеина и никотина в различных химических средах, раскрыв их элементарные реакции.

Новизна исследования двойная и существенная. Сах и его коллеги из колледжа Сент-Ксавье и Университета Мизан-Тепи не ограничились анализом молекул в газовой фазе или воде, как это часто делается, а смоделировали их поведение в двух растворителях противоположной полярности: тетрахлориде углерода (CCl₄, неполярная жидкость) и диметилсульфоксиде (DMSO, полярный растворитель, широко используемый в биомедицине).

Для этого они применили передовые квантовые модели, основанные на теории функционала плотности (DFT), способные раскрыть электронную архитектуру за пределами молекулярной видимости. Таким образом, ученые создали атомную и оптическую карту этих алкалоидов, чьи выводы простираются от вычислительной фармакологии до дизайна молекулярных сенсоров и нелинейных оптических материалов.

Молекулы, среды и модели

Хотя термины могут звучать сложно, исходная идея исследования проста и сильна: химическое окружение глубоко влияет на поведение молекул.

Чтобы это подтвердить, ученые использовали компьютерные симуляции, показывающие, как меняются структура и свойства кофеина и никотина в разных средах. Они не ограничились воздухом или водой, а добавили два противоположных растворителя. С помощью программ Gaussian09W и Multiwfn были созданы 3D-модели, демонстрирующие электронные изменения молекул в зависимости от окружения.

Однако, как отмечает физик-теоретик Роберто Сусман (UNAM), «эти модели требуют экспериментальной проверки в реальных условиях. Симуляции не заменяют опытов». Его предостережение отражает ключевой вызов вычислительной химии: поразительная предсказательная сила соседствует с необходимостью эпистемологической осторожности.

Когда среда меняет всё

Среди главных открытий — изменение электронного поведения молекул при переходе из неполярной (CCl₄) в полярную среду (DMSO). Дипольный момент, отражающий распределение зарядов, резко возрастал. Кофеин, с более высоким дипольным моментом (4–5 Дебай), показал большую чувствительность к среде, объясняя его растворимость в жидкостях тела. С энергетической точки зрения кофеин стабильнее никотина, но оба теряли стабильность в жидкостях, особенно в DMSO, где адаптация к полярности требует энергетических затрат.

Спектры Рамана и УФ-видимой области также выявили различия. Никотин, с более сложной структурой, продемонстрировал больше пиков и острую реакцию на изменения среды, что делает его перспективным для оптических сенсоров. Однако, как вновь предупреждает Сусман, в реальных устройствах, например вейпах, условия отличаются от идеальных симуляций.

Свет как зонд

Никотин превзошел кофеин в нелинейных оптических свойствах (поляризуемость и гиперполяризуемость), что открывает возможности для фотонических технологий. Но в динамичных системах, таких как вейпы, эти свойства могут вести себя иначе.

Электронная картография: что говорят невидимые электроны

Анализ AIM, NCI-RDG и карты ELF/LOL визуализировали слабые внутримолекулярные взаимодействия (ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи). В полярных средах эти связи усиливаются, что важно для предсказания взаимодействий с биологическими системами. Однако отсутствие симуляций с белками ограничивает прямые выводы для биохимии.

Квантовая фармакология и предиктивная токсикология

Исследование предлагает инструменты для прогнозирования поведения молекул в организме: растворимость, метаболизм, дизайн менее аддиктивных аналогов. Но без экспериментальной валидации модели остаются гипотезами.

Наука с осознанием пределов

Авторы признают ограничения: упрощения модели PCM, лишь два растворителя, необходимость проверки. Критика Сусмана подчеркивает: математическая точность ≠ применимость в реальности. Однако работа открывает пути для междисциплинарных исследований.

Заключение: понимать, чтобы преобразовать

Исследование Саха и коллег — не просто описание, а новый взгляд на привычные вещества. Понимание их молекулярной сути позволяет переосмыслить их роль — не как социальных ярлыков, а как сложных реальностей, требующих глубокого изучения.

«Назвать точно — значит начать видеть без предубеждения. А видеть без предубеждения — возможно, самая радикальная форма познания».

Но, как резюмирует Сусман, «никакая модель не заменит сложности открытых систем, где действуют эти молекулы». Между теорией и практикой это исследование — шаг к интегральному пониманию веществ, которые стоит рассматривать не как привычки, а как молекулярные реальности, бросающие вызов и телу, и мысли.