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計算化學–用電腦做實驗

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IC之音廣播電台｜

2013年的諾貝爾化學獎，是由三名美國籍學者卡普拉斯、李維特和瓦歇爾獲得。他們的主要貢獻，是以電腦為複雜的化學系統建立模型，模擬化學反應的過程。以下科學三分鐘，特別為您簡介這方面研究的由來，以及它的重要性，請聽今天的主題：計算化學–用電腦做實驗。

談到化學，您會想到什麼？最早人們對化學的印象，往往離不開試管、燒杯、白色實驗衣，還有五顏六色的化學藥品。許多重要的化學發現，都是化學家藉著經驗，不斷嘗試錯誤，甚至靠著直覺和一點運氣，在實驗室當中做出來的。化學反應一閃即逝，難以用肉眼觀察，也幾乎不可能用實驗了解化學反應過程中的每一個細節。

隨著對分子結構的了解漸漸增加，在過去，化學家也常用不同顏色的塑膠球，以及黑色塑膠棍，來模擬化學分子的結構。然而，這種模型還是太過簡化，跟真實狀況相差太遠。直到二十世紀初，物理學家發現，可以用量子力學，來精確描述微觀世界中原子與分子的行為，透過相關理論發展出計算方法之後，終於讓研究人員引進更強大的工具，那就是電腦。

舉例來說，像蛋白質這樣的大分子，幾乎不可能用實驗追蹤每一步化學反應。有了電腦模型，科學家可以模擬分子之間的互動，例如計算一種新藥，與體內特定的蛋白質會產生什麼反應，所以也有人把相關的研究方法，統稱為計算化學。

不只是蛋白質，透過電腦模擬，科學家可以估算各種化學分子的結構，以及不同分子之間化學反應的過程。除了設計新的藥品，還可能用來發展太陽能電池、汽車觸媒轉換器，甚至發展更多的應用。而卡普拉斯、李維特和瓦歇爾，早在1970年代，就開始進行用電腦模擬化學反應的研究。他們的研究，為這個領域在今日的廣泛應用，奠定了基礎，也讓他們成為了新科的諾貝爾化學獎得主。

卡普拉斯等三人的創舉，在於把古典力學和量子力學的方法混合使用。過去化學家想要在電腦上模擬複雜的化學反應，必須選擇使用牛頓的古典力學為基礎設計的軟體，或是用量子力學理論設計的軟體，兩種選一種。古典力學的計算比較容易，可以比較快地完成計算，但是會忽略掉化學反應中很多重要的細節，簡單來說就是計算比較不精確。相反地，量子力學的模擬計算很精確，但是要耗費龐大的電腦資源與計算時間，所以沒辦法用於像蛋白質這種大分子。

卡普拉斯等三人，透過電腦軟體，解決了這個問題。舉例來說，他們早在1976年，就可以用量子力學的方法，模擬蛋白質分子反應中最重要的「活性部位」，至於蛋白質其他的部分，則用古典力學的方法來處理。這個方法，讓他們用當時的電腦，就可以研究相當大的分子，得到有意義的結果。

當然，計算化學不可能完全取代化學實驗，最後還是需要實驗的印證。但是計算化學的電腦模擬，卻可能讓設計實驗的化學家，節省許多嘗試錯誤的時間，也可能為過去無法解釋的化學現象，找到真正的原因。而IC晶片發展的摩爾定律，讓電腦計算能力迅速進步，也讓計算化學蓬勃發展，可以模擬更大的分子，重要性與日俱增。

今天的科學關鍵字，就是

計算化學　computational chemistry

您可以透過關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】
2013-10-27 16:55:00播出

量子力學(11) 蛋白質(66)

計算化學–用電腦做實驗

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