把化学实验带入网络空间

作者： 杨发庭

2013.10.14 来源： 学习时报  

　　10月9日，诺贝尔化学奖揭晓。奖项颁发给三位美籍科学家马丁磰卡普拉斯（MartinKa-rplus）、迈克尔翘莱维特（MichaelLevitt）和亚利耶磰瓦谢尔（AriehWarshe-l），以表彰他们在“为复杂化学系统创立了多尺度模型”方面作的杰出贡献。

　　化学反应是瞬间发生的，在不到毫秒的时间里，电子从一个原子核跳向另一个原子核，让科学家们眼花缭乱。传统的化学方式已很难捕捉这一瞬间，也无法追踪这个过程，用实验方法来记录化学过程中的每一步是无法实现的。这三位获奖者利用计算机模拟展示了化学反应的过程，揭示了精妙的化学世界，解开了化学反应过程的神秘面纱，比如催化剂对废气的净化，或绿叶中光合作用的发生机制。如今，在化学的发展中，用计算机模拟现实化学反应已是关键性步骤。即使化学反应无法被裸眼观测到，化学家们也能详查复杂化学反应中细小的每一步。

　　这三位获奖者所做的工作是开拓性的。过去，化学家们曾利用塑料球和小棍来建造分子的模型，而现在，建模则是由计算机来完成，计算机程序可以对化学反应详细描述并进行复杂预测。20世纪70年代，马丁 卡普拉斯，迈克尔?莱维特和亚利耶磰瓦谢尔通过编出计算机程序来模拟复杂的化学反应，设计出多尺度模型，将传统的化学实验搬到了网络世界。这一结合现实与理论的化学系统模型，为借助电脑程序理解和预测化学过程及其结果奠定了基础，在很大程度上推进了化学研究，加深了对化学过程的理解与预测。如今，对化学家来说，电脑同试管一样重要，反映真实情况的计算机模型已经成为当今化学界大多数新进展的关键，计算机成为化学实验室中不可或缺的实验手段之一，它们所得出的方法和结论既简单实用，又具有了相当高的准确性。

　　这三位获奖者取得的成就是突破性的。他们成功地将牛顿的经典物理学与性质上完全不同的量子物理学联系起来，设计出了基于经典物理与量子物理两大领域的方法。以前的化学家只能在经典力学和量子力学中两者选一。经典力学的优点是计算简单，可以被应用于很大的分子，而弱点是无法模拟化学反应。为了模拟化学反应，化学家们必须使用量子力学，但需要强大计算能力，因此只能在小分子上应用。如今，这三位获奖者所使用的方法同时包括了经典力学和量子力学的优点。概括地说，量子力学的描述小而精，分子力学的描述大但精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程，计算将难以进行，所以，多尺度组合的方法成为了最好的选择，使传统的化学实验走上了信息化的快车道。

　　多尺度复杂化学系统模型的出现大大推动了化学的发展。通过该模型，科学家实现了用电脑监控微小而瞬间的化学变化，从而能将催化等过程最优化。如今，化学领域所取得的大部分重要进展都离不开先进计算机模型的帮助。化学家可以用电脑来揭开复杂的化学过程，通过计算机模拟，获得比传统实验更快速、更精准的预测结果。比如，要寻找某种药物，可以通过计算的方法，寻找药物靶点，以及可能的药物干扰等。

　　这三位获奖者科研成果是用计算机模拟化学实验，发展了一系列计算方法来研究分子的相互作用，突破了传统“试管实验”局限性。突破了传统思维，展示了美妙的化学世界。获奖者亚利耶 瓦谢尔认为，自己的工作“就像打开一个表，看看里面是怎么运作的一样。我们发展出一个需要电脑的方法，来看看蛋白质的结构，了解它的运作机制，比如酶是怎么消化食物的。你可以用它来设计药物，满足你们的好奇心”。