讓計算機來做實驗

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

當計算機遇到化學……

提到化學模型，我們可能首先會聯想到中學化學課上老師用塑料球和小棍搭起來的模型。現在，建模則由計算機完成。當計算機遇到化學，便形成了計算化學這一新的交叉學科。

化學研究的核心在于“化”字，即分子之間的相互轉化，舊化學鍵斷裂、新化學鍵生成。只有這樣，才能創造出新材料，設計出新藥物。可是，分子之間的轉化經常發生得很快，在毫秒瞬間，電子便從一個原子核躍遷到另一個，傳統的化學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，計算機對化學家的作用已經和化學實驗手段一樣重要。因為計算機對化學反應的模擬能夠非常逼真，化學家們已經能夠通過計算機預測傳統實驗的結果了。

在20世紀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，為后人用于了解和預測化學反應進程作了強大鋪墊。近年來，因為計算方法和計算機軟硬件的飛速發展，在他們的基礎上取得了很多的后續成果，并得到推廣應用。

得益于他們的工作，我們將解開許多關于自然界的疑問。比如世界上最重要的化學反應——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反應？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，從而開發出清潔的能源；藥物如何在人體中發生作用？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？

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

為什么生物體系中的分子反應如此復雜呢？舉例來說，“人體的一個細胞內就可有上百億個蛋白質分子。一個大的蛋白質分子可包含上百萬個原子。蛋白質內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的原子運動就像記錄和監控北京的車輛一樣。如此巨大的分析計算量必須借助計算機技術來存儲和分析。”這番話出自中科院計算數學與科學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獎相關，而他原本是學物理出身。這是不是有點兒“亂套”了？當然沒有，而且還恰恰反映了本屆諾貝爾化學獎的交叉學科屬性，即計算機、物理、數學、生物學和化學等多學科相互滲透和融合。難怪本屆諾貝爾化學獎被戲稱為諾貝爾“理綜”獎。

這是化學的榮譽

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

當描述化學反應的過程時，量子力學的描述是小而精，經典力學的描述大卻精度不高。如果都用高精度的方法來描述化學過程，理論上當然不錯，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。這也體現了三位獲獎者開創性工作之所在，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·波普因為創立理論化學中的密度泛函理論和發展量子化學中的計算方法而獲得了1998年的諾貝爾化學獎。時隔15年之后，分子模擬中最重要的工具分子動力學模擬也終于獲得了諾貝爾化學獎。至此，計算化學的兩大部分都得到了學術上的最高榮譽。

本次諾貝爾化學獎的三位獲獎者都是分子動力學模擬領域的佼佼者，其中卡普拉斯更被公認為該領域的先驅。早在20世紀70年代，卡普拉斯就已能對含有幾個原子的化學反應進行模擬，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，人們就預測卡普拉斯將獲得諾貝爾獎，今年他終于修成正果。

【責任編輯】龐 云