在電腦中模擬化學反應

楊先碧

現在，計算機可以模擬自然界的許多事物。比如，科幻影片中未來世界的場景。同樣，用現有技術手段都難以觀察到的復雜的化學反應變化，計算機也可以模擬。這樣的研究領域被稱為計算化學。

2013年諾貝爾化學獎就授予了三位在計算化學領域做出突出貢獻的科學家，他們分別是美國理論化學家馬丁·卡普拉斯、美國生物物理學家邁克爾·萊維特和化學家亞利耶·瓦謝爾。

誰來演繹化學反應？

世間萬物的基本組成是分子、原子或離子。在物質發生化學反應時，分子、原子或離子之間的化學鍵會斷裂，原子、原子團或離子重新組合成新的物質。

那么，如何直觀地表述這些化學反應的過程呢？

除了符號化的化學反應方程式外，化學家還采用模型來描述。物質的化學模型常用棍和球來表示，棍代表化學鍵，球代表原子或離子?；瘜W鍵本質上是一種電磁力，因此球棍模型建立的基礎是經典物理學。

用球棍模型研究簡單物質的化學反應比較有效，比如水分解成氫氣和氧氣?？墒?，如果換成復雜物質，這種辦法就比較艱難了，比如復雜的光合作用。

既然如此，那么用理論的方法行不行呢？

按照這個思路，化學家們引入了量子理論，因為量子理論能更好地解釋微觀世界中基本粒子的活動規律?；瘜W反應涉及電子轉移與重組，而電子既可以是粒子，同時也可以是波，所以電子的狀態可以用量子力學來處理。

想法有了，可是做起來依然不現實，因為引入量子物理學后計算量驚人，靠人工計算簡直是難以完成的任務。直到計算機發明，人們才看到了曙光。

計算機大顯神威

二十世紀六七十年代，在老百姓還不知道計算機為何物時，一些科學家已經開始使喚這個好幫手了。在化學研究中，計算機更是幫了大忙?？ㄆ绽?、萊維特和瓦謝爾是利用這項新技術進行科學研究的先行者。

二十世紀七十年代初，卡普拉斯便開發出一套用量子物理方法模擬化學反應的電腦程序，為復雜的化學反應設計了多尺度模型。

而在千里之外的以色列，瓦謝爾在讀博士期間與萊維特合作，也開發出了一套電腦程序，使所有分子建模成為可能。博士畢業后，瓦謝爾加入到卡普拉斯的團隊。他們合作開發出一套新的程序，用于對化學反應中不同的電子進行不同種類的計算。

卡普拉斯的研究從視網膜開始。

眼睛視網膜的分子中存在一些自由電子。當光照射到視網膜上時，這些自由電子就能夠獲得能量，改變分子的結構，這是人類形成視覺的初級階段?？ㄆ绽购屯咧x爾成功建立了視網膜的電腦模型，開發了一套電腦程序：當計算自由電子時，使用量子物理的方法，在涉及其他的電子和原子核的計算時，則使用更為簡單的經典物理學方法。因此，他們的研究方法被人們稱為“多尺度模型”。

1972年，二人的研究成果發布，多尺度復雜化學系統模型的出現，翻開了化學史的“新篇章”。

現在，用計算機模擬化學反應已經成為一個分支學科，名為“計算化學”。如今，發展迅猛、能力超群的計算機已經成為量子化學計算最得力的輔助工具。

計算化學改善生活

你可能會想，諾貝爾獎是最高級別的科學大獎，那些深奧的理論和發明跟我們的日常生活是不是太遠了呢？

其實，這樣的想法是不準確的。我們不妨看看這次獲獎的成果吧。

對化學家來說，計算機已經和試管一樣重要。通過計算機模擬，化學家能更快獲得比傳統實驗更精準的預測結果。

比如，計算化學可以更好地理解復雜化學反應的機制，給我們的生產和生活帶來實惠。舉個例子，研究健康細胞轉化為癌細胞的過程，可以知曉是哪些生物大分子產生了什么樣的變異，就可以開發出針對性較強的藥物。

再比如，計算化學可以為合成新物質提供線索和指明方向。過去，化學家合成所需新物質的方法只能是不斷嘗試，用不同物質多次交叉嘗試，最終找到合適的原料。這樣的方法費時費力，又浪費資源。有了計算機后，化學家就可以先用計算機進行模擬實驗，排除不可能的反應路徑，找到最有可能的路徑。

你看，深奧的科技其實離我們不遠。

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在新藥的開發中，怎樣從大量的候選分子中篩選有用的藥物呢？

目前流行的做法是先找出最有可能成為藥物的先導化合物的結構，然后在此基礎上設計和建立數據庫。藥物化學家實驗之前，應用不同的篩選程序，將不可能成功的化合物提早淘汰。另外，他們還可以利用計算機程序預測候選藥物在體內吸收、分布、代謝、排泄及其毒副反應等特點，這樣在進入臨床實驗前，就可以將那些不合格的品種排除在外。