在电脑中模拟化学反应

杨先碧

现在，计算机可以模拟自然界的许多事物。比如，科幻影片中未来世界的场景。同样，用现有技术手段都难以观察到的复杂的化学反应变化，计算机也可以模拟。这样的研究领域被称为计算化学。

2013年诺贝尔化学奖就授予了三位在计算化学领域做出突出贡献的科学家，他们分别是美国理论化学家马丁·卡普拉斯、美国生物物理学家迈克尔·莱维特和化学家亚利耶·瓦谢尔。

谁来演绎化学反应？

世间万物的基本组成是分子、原子或离子。在物质发生化学反应时，分子、原子或离子之间的化学键会断裂，原子、原子团或离子重新组合成新的物质。

那么，如何直观地表述这些化学反应的过程呢？

除了符号化的化学反应方程式外，化学家还采用模型来描述。物质的化学模型常用棍和球来表示，棍代表化学键，球代表原子或离子。化学键本质上是一种电磁力，因此球棍模型建立的基础是经典物理学。

用球棍模型研究简单物质的化学反应比较有效，比如水分解成氢气和氧气。可是，如果换成复杂物质，这种办法就比较艰难了，比如复杂的光合作用。

既然如此，那么用理论的方法行不行呢？

按照这个思路，化学家们引入了量子理论，因为量子理论能更好地解释微观世界中基本粒子的活动规律。化学反应涉及电子转移与重组，而电子既可以是粒子，同时也可以是波，所以电子的状态可以用量子力学来处理。

想法有了，可是做起来依然不现实，因为引入量子物理学后计算量惊人，靠人工计算简直是难以完成的任务。直到计算机发明，人们才看到了曙光。

计算机大显神威

二十世纪六七十年代，在老百姓还不知道计算机为何物时，一些科学家已经开始使唤这个好帮手了。在化学研究中，计算机更是帮了大忙。卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔是利用这项新技术进行科学研究的先行者。

二十世纪七十年代初，卡普拉斯便开发出一套用量子物理方法模拟化学反应的电脑程序，为复杂的化学反应设计了多尺度模型。

而在千里之外的以色列，瓦谢尔在读博士期间与莱维特合作，也开发出了一套电脑程序，使所有分子建模成为可能。博士毕业后，瓦谢尔加入到卡普拉斯的团队。他们合作开发出一套新的程序，用于对化学反应中不同的电子进行不同种类的计算。

卡普拉斯的研究从视网膜开始。

眼睛视网膜的分子中存在一些自由电子。当光照射到视网膜上时，这些自由电子就能够获得能量，改变分子的结构，这是人类形成视觉的初级阶段。卡普拉斯和瓦谢尔成功建立了视网膜的电脑模型，开发了一套电脑程序：当计算自由电子时，使用量子物理的方法，在涉及其他的电子和原子核的计算时，则使用更为简单的经典物理学方法。因此，他们的研究方法被人们称为“多尺度模型”。

1972年，二人的研究成果发布，多尺度复杂化学系统模型的出现，翻开了化学史的“新篇章”。

现在，用计算机模拟化学反应已经成为一个分支学科，名为“计算化学”。如今，发展迅猛、能力超群的计算机已经成为量子化学计算最得力的辅助工具。

计算化学改善生活

你可能会想，诺贝尔奖是最高级别的科学大奖，那些深奥的理论和发明跟我们的日常生活是不是太远了呢？

其实，这样的想法是不准确的。我们不妨看看这次获奖的成果吧。

对化学家来说，计算机已经和试管一样重要。通过计算机模拟，化学家能更快获得比传统实验更精准的预测结果。

比如，计算化学可以更好地理解复杂化学反应的机制，给我们的生产和生活带来实惠。举个例子，研究健康细胞转化为癌细胞的过程，可以知晓是哪些生物大分子产生了什么样的变异，就可以开发出针对性较强的药物。

再比如，计算化学可以为合成新物质提供线索和指明方向。过去，化学家合成所需新物质的方法只能是不断尝试，用不同物质多次交叉尝试，最终找到合适的原料。这样的方法费时费力，又浪费资源。有了计算机后，化学家就可以先用计算机进行模拟实验，排除不可能的反应路径，找到最有可能的路径。

你看，深奥的科技其实离我们不远。

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在新药的开发中，怎样从大量的候选分子中筛选有用的药物呢？

目前流行的做法是先找出最有可能成为药物的先导化合物的结构，然后在此基础上设计和建立数据库。药物化学家实验之前，应用不同的筛选程序，将不可能成功的化合物提早淘汰。另外，他们还可以利用计算机程序预测候选药物在体内吸收、分布、代谢、排泄及其毒副反应等特点，这样在进入临床实验前，就可以将那些不合格的品种排除在外。