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「2013年诺贝尔化学奖」2013年诺贝尔化学奖详情

今天化学家在計算机上做的實验几乎和他们在实验室做的一樣多。从计算機獲得的理論結果得到了实际實验的证實,然后出现了新的线索來指导我们探索原子世界的工作原理。从這個角度來看,理论和實践是相辅相成的。

牛頓和薛定諤的貓。在此之前,经典物理和量子力學属於對立的世界,2013年诺贝爾化学奖打開了兩个世界之间的大门,帶來了積極的合作前景。

今天,当科学家们模拟分子反应的过程時,他們將在必要時使用计算机的力量。反应係统核心的計算基于量子物理,而模型計算基于遠離反应核心区域的经典物理。在最外層,原子和分子甚至混合在一起形成同質物体。通過简化這些理论,我們可以模擬和計算大型化学係统。

(神秘的地球uux.cn)據新浪科技报道:2013年诺贝尔化学獎得主是:马丁·卡普拉斯、迈克爾·莱维特和亞利耶·瓦謝爾,奖励他们對“开发复雜化學系统的多尺度模型”的贡獻。

化学反应极其迅速。在数百萬秒内,电子完成了從一个原子核到另一個原子核的迁移。經典化学很難跟上這样的步伐。用實验方法来描述化学过程中的每一个小步驟几乎是不可能的。今年诺貝尔化學獎的結果僅仅是两个不同领域的方法的本质,而基于經典物理和量子物理的方法被設计出来。

将實驗帶入信息时代

令人眼花繚亂的科学家们,化学反应极其迅速,電子在原子核之间快速移动。2013年诺貝爾化学奖得主所做的工作使得化學家們能夠借助计算機揭示神秘的化學世界。對這一進展带來的详细化學过程的理解將有助于我们改进催化剂、藥物甚至太陽能电池板的工艺。

现在全世界的化学家每天都在电脑上設计和進行實驗。这种情況之所以可能,是因为自20世纪70年代以来,马丁·卡普拉斯、迈克爾·莱維特和亚利耶·瓦謝尔三位科學家所做的工作。他們仔细檢查複杂化學過程中的每一個小步驟,这些细节通常肉眼察覺不到。

一幅圖像值幾千個字,但不是全部。

為了便于普通讀者理解這一成就的意義,我們将在此举幾個例子。假設现在你有一個实验任務:创造人工光合作用。这种神奇的化學反应发生在植物的绿叶中,使我们的大气層充满氧气,氧气是地球上生命的基础。然而,从环境保护的角度来看,这也是非常重要的——如果你能模擬光合作用的機制,那么我们就能生产出更高效的太阳能电池板。水分子分解時,會产生氧气,還會產生可用作能源的氢气。因此,开展这項工作具有很大的吸引力和价值。如果你成功了,你将能够幫助世界对抗溫室效應。

首先,您可能需要在互联網上搜索與光合作用相关的蛋白质的三維精細结构,這些结構可以在一些大型数据库中免费获得。在你的电脑上,你可以从各个角度自由觀看。這些巨大的蛋白质分子可能包含數十萬個原子。有一个非常小的區域叫做反應中心。水分子就是在这裏分解的。

然而,隻有少数原子實际上參与了這个过程。例如,你可以看到四個锰離子,一个钙离子和几个氧原子。在你麵前,你可以清楚地看到这些原子和離子的相对位置,但是你不能知道它們在反應中各自的作用。這正是你需要知道的。

這個过程的细节幾乎不可能用傳統的化学方法完全展现出來。许多事情可以在一瞬间發生,这一事實使得傳統的試管研究方法變得不可能。根据计算機屏幕上显示的图像,也很难猜测出具體的反应過程,因为這些圖像是在蛋白質靜止时绘製的。當阳光照射到綠叶上時,这些蛋白质將充滿能量,它們的整個原子結構將會改变。为了理解这个過程,你需要知道注射能量後蛋白质是什麽樣的。

为了實現这一目標,我们需要依靠获得今年諾贝尔化學獎的科学家制定的計算机程序。

理論與实踐的相互促進

借助软件,您可以模擬化學过程中各種可能的反应路径,这是一个模拟或模型。这樣做可以让你理解不同原子在反應的不同阶段所扮演的角色。

然後,当你找到那些看似可行的反應路徑时,你可以進行實验來验证这台計算机给出的反应路径是否確实正确,从而反過来修正模型並提高它在模拟中的准确性。化學家們現在在試管和电腦前花的時間幾乎是一样的,這是相辅相成的。

那么,這種被授予諾贝尔化学獎的計算機程序有什么獨特之处呢?

牛頓的蘋果和薛定諤的猫

在此之前,当科學家需要在计算機上模擬分子时,他们拥有的软件要麽基于經典物理要么基于量子物理。

這两種方法各有利弊。經典物理学的优势在于其相對簡单的計算过程和模擬非常大分子結构的能力,并向化学家展示大分子的精细结构。然而,它還有一個明顯的缺點,即它不能模拟化学反應过程,因為在反應過程中,分子充滿能量并處于活化狀态。經典物理方法不能理解這種状態,這也是它最严重的缺陷。

因此,为了表达這一部分,化學家不得不求助於量子物理。在這个理論中,电子有兩種态度=性,它们可以同時是粒子或波,就像薛定諤的貓一样,它可以同时處于生與死的狀态。

量子物理学的優势在于它是公正的,基于它的模型不帶有任何科學家的先入之見。因此,這样的模擬將更接近現實。然而,量子物理方法的最大局限性是它需要大量的計算。

在量子物理方法中,計算機需要處理分子中的每個电子和每個原子核。這有點像電子圖像的像素。像素的增加当然可以提高图像的質量,但同時也会大大增加計算机的运算量。同样,基於量子物理的方法可以更真實地描述化學反应過程,但需要一台强大的计算機。在20世纪70年代,這意味著它隻能应用於非常有限的小分子。当研究反應过程時,科学家不得不忽略周圍的環境,尽管實际上化學反应經常發生在特定的溶剂環境中。然而,如果科學家考慮溶剂的环境因素,他们可能要等几十年才能得到计算結果。

因此,經典化學和量子化學是兩个完全不同的领域,在某些方麵甚至是衝突的。然而,這位2013年諾貝尔奖獲得者成功地打开了兩者之間的大門,将牛顿和他的蘋果、薛定諤和他的猫結合在一起。

量子化学和經典物理的结合

这場婚姻的第一步是20世纪70年代马丁·卡普拉斯在哈佛大學的实验室裏迈出的。卡普勒斯一直致力於量子物理方法的研究。他的研究团隊开發的计算機程序可以使用量子物理原理來模拟化学反应過程。他还提出了“卡普勒斯方程”(Karplus equation),其原理後来被应用於核磁共振技術,這是一種化学家熟知的方法,是基於分子的量子性質而發展起来的。

1970年,在完成博士学位后,以色列的亚利耶·瓦谢爾来到美國的卡帕斯實驗室。Warshel最初在以色列魏茨曼科学研究所从事博士工作。該研究所有一台超级计算機“假人”,這是猶太民間傳说中一種生物的名字。在假人的幫助下,亞利耶·瓦謝尔和邁克尔·莱維特基於经典理论開發了一个革命性的計算機程序,可以模拟所有分子,甚至那些巨大的生物分子。

當亞利耶·瓦谢尔加入哈佛大学马丁·卡普拉斯實驗室时,他也帶来了他的計算机程序。从这一刻開始,他和卡普勒斯开始共同開發一个新的程序,可以对不同的電子采用不同的处理方法。在大多數分子結構中,每个電子围绕一个原子核运动,但是在一些分子中,一些电子可以在幾個原子核之间自由運动。例如,视網膜的分子結构中就有这样的自由电子。Karplus長期以来一直對視网膜感興趣,因為它是分子的量子化學过程,会產生生物效應。當光到达视網膜時,其中的自由电子充滿能量,从而导致分子結構變形。这是形成人类视觉的第一步。

最后,卡普勒斯和瓦爾谢爾成功地建立了视網膜结构模型。然而,他们最初建立的模型被大大簡化了。他們開发了一個計算機程序,在处理自由电子時使用量子物理算法,在处理其他电子和原子核時使用更简单的經典方法。1972年,他们发布了最新的方法,这是世界上第一次實現这两种方法的结合。然而,这種方法有其局限性。它要求分子鏡像对稱。

计算生物化學通用程序

在哈佛大学深造两年后,瓦切爾和莱維特重新加入。莱維特已经完成了在剑橋大学的博士培训,重点是生物分子研究,如脫氧核糖核酸、核糖核酸和蛋白質。他使用经典的計算機程序来更好地理解生物分子的样子。然而,它的局限性不容否认。只能研究靜止的分子。

瓦謝尔和莱维特雄心勃勃。他们希望开發一個程序,用於研究控制和簡化生物化學過程的酶和蛋白质。作为一名學生,瓦謝爾曾经關注酶的功能。酶之間的相互合作使生命成為可能。它们控製著生活中幾乎所有的化学反应。如果你想了解生命,你需要了解酶。

為了模擬酶促反应,瓦謝爾和萊维特需要使經典物理和量子物理更順利地合作,这可能需要几年時间來解決各種问题。所以他们開始在魏茨曼研究所進行研究。但是几年後,萊維特完成博士後培訓後回到了劍橋。後來,瓦謝尔和萊维特在剑桥相遇。1976年,他们实现了他們的目標,并發表了世界上第一個酶反应的计算机模型。從那时起,规模不再是模擬化学反應的問题。

聚焦核心原子

目前,化学家将在模擬化学过程時應用所有必要的設備。他們將對直接影响化學過程的每個电子和原子核进行細致的量子物理計算。這样,他們可以獲得最好的實驗結果。分子的其餘部分用經典方程模拟。

莱維特和瓦切爾进一步减少了工作量,以免浪費计算资源。计算机不再需要计算每一個原子,尤其是那些无关的原子。他們已经證明在计算过程中幾个原子可以结合在一起。

模拟的深远意義取决於未來。

目前,科學家可以通過計算机進行实驗,這有助于我們更深入地了解整個化学過程。卡普拉塞、萊維特和瓦瑟發明的多尺度模型的意义在於其普遍性,可用于研究從活分子到工业化學過程的各種化学过程。科学家还可以优化太阳能電池、汽車甚至藥物的燃料。

此外,萊維特還在一份雜誌上谈到了他的夢想:在分子水平上模擬生物是一个有吸引力的想法。今年诺貝尔化學獎得主開发的計算机模型已经足夠強大了,但是要決定我们能在多大程度上丰富知识还需要時间。(神秘的地球uux.cn)

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