讓計算機來做實驗

2013年度諾貝爾化學(xué)獎被授予三位美國科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾，以表彰他們在“發(fā)展復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型”方面所作的貢獻。

當(dāng)計算機遇到化學(xué)……

提到化學(xué)模型，我們可能首先會聯(lián)想到中學(xué)化學(xué)課上老師用塑料球和小棍搭起來的模型。現(xiàn)在，建模則由計算機完成。當(dāng)計算機遇到化學(xué)，便形成了計算化學(xué)這一新的交叉學(xué)科。

化學(xué)研究的核心在于“化”字，即分子之間的相互轉(zhuǎn)化，舊化學(xué)鍵斷裂、新化學(xué)鍵生成。只有這樣，才能創(chuàng)造出新材料，設(shè)計出新藥物?？墒?，分子之間的轉(zhuǎn)化經(jīng)常發(fā)生得很快，在毫秒瞬間，電子便從一個原子核躍遷到另一個，傳統(tǒng)的化學(xué)方式已很難捕捉這個過程，必須借助計算機這一工具。時至今日，計算機對化學(xué)家的作用已經(jīng)和化學(xué)實驗手段一樣重要。因為計算機對化學(xué)反應(yīng)的模擬能夠非常逼真，化學(xué)家們已經(jīng)能夠通過計算機預(yù)測傳統(tǒng)實驗的結(jié)果了。

在20世紀(jì)70年代計算機還未被普及的時候，馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾就打造了堅實的計算機程序基礎(chǔ)，為后人用于了解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)進程作了強大鋪墊。近年來，因為計算方法和計算機軟硬件的飛速發(fā)展，在他們的基礎(chǔ)上取得了很多的后續(xù)成果，并得到推廣應(yīng)用。

得益于他們的工作，我們將解開許多關(guān)于自然界的疑問。比如世界上最重要的化學(xué)反應(yīng)——光合作用是怎么進行的？如果能模擬出來，那么我們就將能制造出更加高效的太陽能電池板；催化劑如何加快化學(xué)反應(yīng)？如果深入了解其中的機理，我們可以嘗試通過催化讓水分子分解，從而開發(fā)出清潔的能源；藥物如何在人體中發(fā)生作用？通過計算的方法，尋找出藥物的靶點以及可能的藥物干擾，我們就能設(shè)計出滿足我們特定需求的理想藥物。

諾貝爾“理綜”獎？

如果化學(xué)反應(yīng)在氣相中發(fā)生，由于參與反應(yīng)的分子受環(huán)境影響小，因此是理想的模型體系（1986年，李遠(yuǎn)哲等三人因為用實驗方法揭示氣相化學(xué)反應(yīng)微觀細(xì)節(jié)而獲得諾貝爾化學(xué)獎）；然而，化學(xué)反應(yīng)更多是在液相，在生物體系中發(fā)生，體系自由度多，非常復(fù)雜，不容易弄清楚細(xì)節(jié)。而反映真實情況的多尺度模型可以用來研究復(fù)雜體系的分子行為，包括液相化學(xué)反應(yīng)或者是生化反應(yīng)。

為什么生物體系中的分子反應(yīng)如此復(fù)雜呢？舉例來說，“人體的一個細(xì)胞內(nèi)就可有上百億個蛋白質(zhì)分子。一個大的蛋白質(zhì)分子可包含上百萬個原子。蛋白質(zhì)內(nèi)每兩個原子間都有相互作用，這些原子處于不停的運動中，其情形就像北京城內(nèi)同一時刻有兩百萬輛機動車行駛一樣。計算和跟蹤一個蛋白質(zhì)的原子運動就像記錄和監(jiān)控北京的車輛一樣。如此巨大的分析計算量必須借助計算機技術(shù)來存儲和分析?！边@番話出自中科院計算數(shù)學(xué)與科學(xué)工程計算研究所的盧本卓研究員，他的研究方向就與此次諾貝爾化學(xué)獎相關(guān)，而他原本是學(xué)物理出身。這是不是有點兒“亂套”了？當(dāng)然沒有，而且還恰恰反映了本屆諾貝爾化學(xué)獎的交叉學(xué)科屬性，即計算機、物理、數(shù)學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科相互滲透和融合。難怪本屆諾貝爾化學(xué)獎被戲稱為諾貝爾“理綜”獎。

這是化學(xué)的榮譽

雖然被戲稱為“理綜”獎，但這的的確確是屬于化學(xué)的榮譽。理論化學(xué)發(fā)展到今天，其最大的組成部分就是計算化學(xué)。計算化學(xué)的基礎(chǔ)理論大多來源于兩部分：量子力學(xué)和牛頓經(jīng)典力學(xué)，這兩個學(xué)科在化學(xué)上的應(yīng)用則分別誕生了量子化學(xué)和分子模擬兩個學(xué)科。涉及電子的化學(xué)反應(yīng)需要用量子化學(xué)來解決，一旦涉及到分子間的相互作用，其量子效應(yīng)往往可以忽略不計，使用經(jīng)典力學(xué)就足以描述，從而大大地簡化了計算，這就是分子模擬。

當(dāng)描述化學(xué)反應(yīng)的過程時，量子力學(xué)的描述是小而精，經(jīng)典力學(xué)的描述大卻精度不高。如果都用高精度的方法來描述化學(xué)過程，理論上當(dāng)然不錯，但實際計算將難以進行。所以，多尺度組合的方法便成了最好的選擇。這也體現(xiàn)了三位獲獎?wù)唛_創(chuàng)性工作之所在，即把兩種體系中的精華部分提取了出來，并且找到了適用于二者的研究方法。

美國人沃爾特·科恩和英國人約翰·波普因為創(chuàng)立理論化學(xué)中的密度泛函理論和發(fā)展量子化學(xué)中的計算方法而獲得了1998年的諾貝爾化學(xué)獎。時隔15年之后，分子模擬中最重要的工具分子動力學(xué)模擬也終于獲得了諾貝爾化學(xué)獎。至此，計算化學(xué)的兩大部分都得到了學(xué)術(shù)上的最高榮譽。

本次諾貝爾化學(xué)獎的三位獲獎?wù)叨际欠肿觿恿W(xué)模擬領(lǐng)域的佼佼者，其中卡普拉斯更被公認(rèn)為該領(lǐng)域的先驅(qū)。早在20世紀(jì)70年代，卡普拉斯就已能對含有幾個原子的化學(xué)反應(yīng)進行模擬，此后逐漸做大，可以對含有上千個原子的生物體系進行模擬了。兩年前，人們就預(yù)測卡普拉斯將獲得諾貝爾獎，今年他終于修成正果。

【責(zé)任編輯】龐 云