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計算化學–用電腦做實驗
2015/11/02
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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。
 
 
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
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