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用計(jì)算機(jī)揭開化學(xué)反應(yīng)的奧秘

用計(jì)算機(jī)揭開化學(xué)反應(yīng)的奧秘

2013-10-10 11:32:07

  馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒,這三位美國科學(xué)家由于最早創(chuàng)立復(fù)雜化學(xué)體系多尺度計(jì)算方法并用于研究生物體系獲得重大成果而獲今年諾貝爾化學(xué)獎。

  源于對卡普拉斯和瓦謝勒兩位獲獎?wù)叩牧私猓本┐髮W(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授、中科院院士黎樂民接受科技日報(bào)記者采訪時說:“盡管這種計(jì)算方法現(xiàn)在還有些粗糙,需要繼續(xù)向前發(fā)展,他們最早提出將經(jīng)典物理和量子物理中采用的差別很大的兩類研究方法結(jié)合起來,具有很強(qiáng)的原創(chuàng)性,對推動復(fù)雜生物體系的微觀過程研究起了重要作用。這也表現(xiàn)出他們對科學(xué)發(fā)展趨勢的思維超前和判斷正確。”黎樂民告訴記者,三位科學(xué)家?guī)资耆缫蝗諏茖W(xué)探索執(zhí)著追求的精神令人欽佩,他們獲獎是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹?/p>

  長期從事理論化學(xué)研究的北京化工大學(xué)教授曹維良解釋說,三位大師從宏觀到微觀層面給出了一種描述化學(xué)反應(yīng)的方法,“結(jié)合經(jīng)典物理(宏觀)和量子力學(xué)(微觀)方法,將實(shí)驗(yàn)上無法觀測到的化學(xué)反應(yīng)的精細(xì)細(xì)節(jié),通過計(jì)算機(jī)模擬的方法描述出來。這種開拓性前所未有,這也意味著化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了信息時代。”

  通常意義上,化學(xué)反應(yīng)以光速發(fā)生,若以塑料球和小棍建造的分子模型來預(yù)測化學(xué)反應(yīng),無異于天方夜譚。因?yàn)椋趲讉€毫秒之內(nèi),電子從一個原子核跳到另一個。經(jīng)典化學(xué)在前進(jìn)過程中曾有過很艱難的時期,事實(shí)上在化學(xué)進(jìn)程中追蹤每一小步反應(yīng)都十分困難。

  “源于這項(xiàng)研究,科學(xué)家得以用計(jì)算機(jī)揭開化學(xué)反應(yīng)的奧秘。”曹維良稱,借助于該方法在計(jì)算機(jī)上建模,可以模擬光合作用以及藥物在人體內(nèi)的過程和作用,人們多年的疑惑因此有望解答,比如如何對抗溫室效應(yīng)。

  經(jīng)典物理的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單,可應(yīng)用于很大的分子。然而,經(jīng)典物理的弱點(diǎn)是沒有提供模擬化學(xué)反應(yīng)的方法。

  “今年諾貝爾化學(xué)獎得主,將兩個物理體系的精華完美結(jié)合,并提取了在經(jīng)典物理和量子物理領(lǐng)域都適用的研究方法。”黎樂民說,要模擬對藥物在人體內(nèi)如何與靶蛋白進(jìn)行耦合,計(jì)算機(jī)會對靶蛋白中能與指定藥物相互作用的原子進(jìn)行量子理論的計(jì)算,大蛋白的其余部分則利用的經(jīng)典物理方法進(jìn)行模擬。

  早在1970年代,馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒奠定了用于了解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)歷程的計(jì)算機(jī)程序的基礎(chǔ),反映真實(shí)情況的計(jì)算機(jī)模型,如今對化學(xué)家而言變得和試管般不可或缺。

  我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究并不甘人后,用黎樂民院士的話來說,“整體在往前走”。“問題主要不在于我們不懂得基礎(chǔ)的科學(xué)原理或者解決問題的能力不夠,我們最重要的差距在于缺乏原創(chuàng)性思維,科研人員頭腦不夠放開,對科學(xué)問題深入思考不夠,看國外做什么就跟著做,國外沒做的基本想不到。”他坦言,這與國內(nèi)現(xiàn)行的科研政策也有關(guān)系,大家不敢做看起來比較難、要堅(jiān)持比較長時間才能發(fā)表論文的課題。因?yàn)?,如果你三五年不發(fā)表論文,且不說申請研究項(xiàng)目無望,恐怕連職位都難保。

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