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「2013诺贝尔化学奖」2013年诺贝尔化学奖详情

今天化学家在计算机上做的實驗幾乎和他們在實驗室做的一樣多。從计算机获得的理論结果得到了實際實驗的证實,然後出现了新的线索來指导我們探索原子世界的工作原理。從这个角度來看,理论和实踐是相辅相成的。

牛顿和薛定諤的貓。在此之前,经典物理和量子力學屬於对立的世界,2013年諾貝尔化学奖打开了两個世界之間的大門,帶來了积极的合作前景。

今天,当科学家們模拟分子反应的過程時,他們将在必要時使用計算機的力量。反应系統核心的计算基于量子物理,而模型計算基于遠离反應核心區域的经典物理。在最外层,原子和分子甚至混合在一起形成同質物體。通过簡化這些理論,我们可以模擬和计算大型化学系统。

(神秘的地球uux.cn)據新浪科技报道:2013年诺贝尔化學奖得主是:马丁·卡普拉斯、邁克爾·莱維特和亞利耶·瓦謝尔,獎励他们對“開發复雜化学係統的多尺度模型”的貢献。

化學反应极其迅速。在數百萬秒内,電子完成了從一个原子核到另一個原子核的遷移。經典化学很難跟上这樣的步伐。用實驗方法来描述化學過程中的每一個小步骤几乎是不可能的。今年诺贝爾化學獎的結果僅僅是两个不同领域的方法的本质,而基於經典物理和量子物理的方法被設计出来。

将實验带入信息時代

令人眼花缭亂的科學家們,化学反应极其迅速,电子在原子核之间快速移動。2013年诺贝尔化學奖得主所做的工作使得化學家們能够借助計算机揭示神秘的化学世界。对這一進展带來的詳細化学過程的理解将有助於我们改進催化劑、藥物甚至太阳能電池板的工艺。

现在全世界的化学家每天都在电脑上設计和进行實驗。這種情況之所以可能,是因为自20世纪70年代以来,馬丁·卡普拉斯、邁克尔·莱维特和亚利耶·瓦谢爾三位科學家所做的工作。他們仔细檢查複杂化学過程中的每一個小步骤,这些細節通常肉眼察觉不到。

一幅图像值几千個字,但不是全部。

为了便于普通讀者理解这一成就的意義,我们将在此举幾個例子。假设現在你有一個实验任務:創造人工光合作用。這种神奇的化學反应发生在植物的綠叶中,使我們的大氣层充滿氧氣,氧气是地球上生命的基础。然而,从環境保護的角度来看,這也是非常重要的——如果你能模拟光合作用的机制,那麽我们就能生產出更高效的太陽能電池板。水分子分解時,會產生氧气,還会产生可用作能源的氢氣。因此,开展这项工作具有很大的吸引力和價值。如果你成功了,你將能夠帮助世界对抗温室效應。

首先,您可能需要在互聯網上搜索與光合作用相关的蛋白质的三維精細結构,這些结構可以在一些大型数据库中免費获得。在你的電脑上,你可以从各個角度自由观看。这些巨大的蛋白質分子可能包含數十萬个原子。有一個非常小的区域叫做反應中心。水分子就是在這里分解的。

然而,只有少数原子实际上参與了這个過程。例如,你可以看到四个錳離子,一个钙離子和幾个氧原子。在你面前,你可以清楚地看到这些原子和离子的相對位置,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。

这个過程的细节几乎不可能用传統的化學方法完全展現出来。许多事情可以在一瞬間發生,這一事实使得传统的试管研究方法变得不可能。根據計算機屏幕上显示的圖像,也很难猜測出具體的反應過程,因为這些图像是在蛋白質靜止时繪製的。當陽光照射到绿叶上時,这些蛋白质將充满能量,它們的整個原子結構將會改变。为了理解這個过程,你需要知道注射能量後蛋白质是什麽樣的。

为了實现这一目标,我们需要依靠获得今年诺贝爾化学獎的科學家製定的计算機程序。

理論与实践的相互促进

借助軟件,您可以模拟化學过程中各種可能的反應路径,這是一個模拟或模型。這樣做可以讓你理解不同原子在反應的不同阶段所扮演的角色。

然后,當你找到那些看似可行的反应路徑時,你可以进行实驗來驗證這台計算機給出的反应路径是否確实正確,從而反過來修正模型并提高它在模拟中的準确性。化学家们现在在试管和電腦前花的時间幾乎是一樣的,这是相輔相成的。

那麽,這种被授予诺貝爾化学奖的计算机程序有什麽獨特之處呢?

牛頓的苹果和薛定諤的猫

在此之前,当科學家需要在計算机上模拟分子時,他們擁有的軟件要么基於經典物理要麽基於量子物理。

這兩种方法各有利弊。经典物理學的優勢在於其相對简單的計算過程和模擬非常大分子结構的能力,並向化學家展示大分子的精細结構。然而,它還有一個明顯的缺點,即它不能模擬化學反應过程,因為在反应過程中,分子充滿能量並处於活化状态。经典物理方法不能理解这种狀态,這也是它最嚴重的缺陷。

因此,为了表達这一部分,化学家不得不求助於量子物理。在这個理論中,电子有兩种态度=性,它們可以同时是粒子或波,就像薛定谔的貓一樣,它可以同时處於生与死的状態。

量子物理学的優勢在於它是公正的,基于它的模型不帶有任何科學家的先入之見。因此,這樣的模擬将更接近現實。然而,量子物理方法的最大局限性是它需要大量的计算。

在量子物理方法中,计算机需要处理分子中的每个电子和每个原子核。这有点像电子圖像的像素。像素的增加當然可以提高图像的質量,但同时也会大大增加计算機的运算量。同样,基於量子物理的方法可以更真實地描述化学反應过程,但需要一台强大的計算机。在20世纪70年代,這意味着它隻能应用于非常有限的小分子。當研究反应過程時,科學家不得不忽略周圍的環境,尽管實際上化学反應经常發生在特定的溶劑环境中。然而,如果科学家考虑溶劑的环境因素,他們可能要等幾十年才能得到计算结果。

因此,經典化學和量子化学是兩个完全不同的領域,在某些方面甚至是衝突的。然而,這位2013年诺貝爾奖獲得者成功地打開了兩者之間的大門,將牛顿和他的蘋果、薛定谔和他的猫结合在一起。

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實驗室裏邁出的。卡普勒斯一直致力于量子物理方法的研究。他的研究團隊开發的计算機程序可以使用量子物理原理来模擬化学反應过程。他還提出了“卡普勒斯方程”(Karplus equation),其原理后来被應用於核磁共振技術,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來的。

1970年,在完成博士學位後,以色列的亚利耶·瓦謝爾來到美国的卡帕斯實验室。Warshel最初在以色列魏茨曼科学研究所從事博士工作。該研究所有一台超級計算机“假人”,這是猶太民间传说中一種生物的名字。在假人的帮助下,亚利耶·瓦谢爾和邁克尔·莱维特基于经典理论开發了一個革命性的计算機程序,可以模拟所有分子,甚至那些巨大的生物分子。

當亚利耶·瓦谢尔加入哈佛大学马丁·卡普拉斯實验室时,他也带來了他的計算机程序。從这一刻開始,他和卡普勒斯開始共同開发一個新的程序,可以对不同的電子采用不同的处理方法。在大多数分子結構中,每个電子圍绕一個原子核运动,但是在一些分子中,一些电子可以在几个原子核之間自由運動。例如,视網膜的分子結构中就有这樣的自由電子。Karplus长期以来一直对视網膜感興趣,因为它是分子的量子化学過程,會产生生物效應。当光到達視網膜时,其中的自由电子充满能量,从而导致分子結構变形。这是形成人類視觉的第一步。

最後,卡普勒斯和瓦爾謝尔成功地建立了視网膜結構模型。然而,他们最初建立的模型被大大简化了。他们開发了一个計算机程序,在處理自由電子時使用量子物理算法,在處理其他电子和原子核时使用更簡单的經典方法。1972年,他們发布了最新的方法,这是世界上第一次實现這兩种方法的結合。然而,这種方法有其局限性。它要求分子镜像對称。

計算生物化学通用程序

在哈佛大学深造两年后,瓦切爾和莱維特重新加入。萊维特已經完成了在劍橋大學的博士培训,重點是生物分子研究,如脫氧核糖核酸、核糖核酸和蛋白质。他使用经典的计算機程序来更好地理解生物分子的樣子。然而,它的局限性不容否認。只能研究靜止的分子。

瓦谢尔和萊維特雄心勃勃。他们希望开发一個程序,用於研究控製和簡化生物化學過程的酶和蛋白质。作为一名学生,瓦謝尔曾经關注酶的功能。酶之間的相互合作使生命成為可能。它們控製着生活中几乎所有的化学反應。如果你想了解生命,你需要了解酶。

為了模拟酶促反应,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,這可能需要幾年时间來解决各種問题。所以他们开始在魏茨曼研究所进行研究。但是几年后,莱维特完成博士後培訓後回到了剑桥。后来,瓦謝爾和萊维特在剑橋相遇。1976年,他們实现了他们的目标,并发表了世界上第一个酶反应的計算機模型。从那时起,规模不再是模拟化學反應的問题。

聚焦核心原子

目前,化學家将在模拟化学过程時应用所有必要的設備。他們將对直接影响化学過程的每個电子和原子核進行细致的量子物理計算。这样,他们可以獲得最好的实驗结果。分子的其余部分用經典方程模拟。

莱维特和瓦切尔進一步减少了工作量,以免浪费计算资源。计算機不再需要计算每一個原子,尤其是那些無關的原子。他們已經證明在计算过程中几个原子可以结合在一起。

模拟的深远意义取決于未來。

目前,科學家可以通过計算机進行实驗,这有助於我们更深入地了解整個化学過程。卡普拉塞、萊维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業化學过程的各種化学過程。科学家还可以优化太陽能电池、汽车甚至藥物的燃料。

此外,莱维特还在一份杂志上談到了他的梦想:在分子水平上模擬生物是一个有吸引力的想法。今年诺贝尔化學奖得主开发的計算机模型已经足夠强大了,但是要決定我们能在多大程度上丰富知識還需要時間。(神秘的地球uux.cn)

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