ВВЕДЕНИЕ. Квантовая химия представляет собой теорию строения и свойств атомов и молекул, построенную на сочетании теоретической физики

Квантовая химия представляет собой теорию строения и свойств атомов и молекул, построенную на сочетании теоретической физики, вычислительной математики и химии. Это область знаний, в которой с использованием специальных методов квантовой механики и вычислительной математики решаются следующие химические задачи:

1. Предсказание возможности существования различных молекулярных систем в виде устойчивой комбинации атомов.

2. Предсказание геометрической и электронной структуры таких систем.

3. Предсказание наиболее вероятных путей протекания химических реакций.

4. Осуществление компьютерного дизайна соединений с заданными свойствами.

Но потребовались многие годы на то, чтобы от изучения систем типа атома гелия или молекулы водорода перейти к решению перечисленных задач. Дело в том, что основное уравнение квантовой механики – уравнение Шрёдингера не может быть решено аналитически даже для небольших молекул. А численные методы его решения требуют такого количества вычислений, которое возможно только при использовании компьютеров. Основатель релятивистской квантовой механики П.Дирак сказал в 1929г. “ физические законы большей части физики и всей химии изучены и трудность заключается лишь в том, что строгое применение этих законов приводит к уравнениям настолько сложным, что их невозможно решить ”. Поэтому бурный прогресс в развитии вычислительной техники и её программного обеспечения открыл огромные перспективы в развитии квантовой химии. В 60-е годы XX века квантово-химические расчеты выполнялись на компьютерах первого и второго поколений с быстродействием несколько десятков тысяч операций в секунду, да ещё и ненадёжных из-за того, что элементной базой в них служили лампы и простые полупроводники. Сейчас для этой цели используются компьютеры IV поколения с быстродействием от сотен миллионов до нескольких триллионов операций в секунду. Резко возросла надёжность этих машин, элементной базой которых служат большие интегральные схемы. Появились компьютерные кластеры и суперкомпьютеры с векторными процессорами.

Разумеется, для успешного развития квантовой химии потребовались не только мощные вычислительные машины, но и соответствующее программное обеспечение. Это обусловлено огромной сложностью численного решения уравнения Шрёдингера для многоэлектронных задач, несмотря на то, что в отличие от теории ядра, в квантовой химии потенциал взаимодействия частиц известен. Современные квантово–химические компьютерные программы являются одними из наиболее сложных в мире. Это целые программные комплексы, которые пишутся довольно большими коллективами программистов не один год. Широко используется параллельное программирование. Благодаря простоте задания исходной и получаемой информации использование таких программ стало доступным для широкого круга исследователей разных направлений. Вообще, имеет смысл говорить о “машинном” эксперименте, занимающем абсолютно равноправное место в ряду экспериментальных физико-химических методов исследования свойств молекул. Причём, в ряде случаев точность квантово-химических расчётов сопоставима с точностью, достигаемой физико-химическими методами, или даже превосходит её. Более того, расчеты позволяют получить иногда такую информацию, которая не может быть получена традиционными экспериментальными методами. Например, исследование строения короткоживущих ионов, структуры переходных комплексов химических реакций, интерпретация спектров запрещенных по спину возбуждений и т.д. Можно сказать, что сбывается предсказание одного из создателей квантовой химии Р. Малликена о том, что “ наступит такая эра, когда химики сотнями, если не тысячами пойдут не в лаборатории, а к вычислительным машинам”.

При этом современное положение дел в квантовой химии не позволяет полностью автоматизировать интерпретацию получаемых результатов. Успешное применение квантовой химии зависит от удачного выбора метода исследований, то есть от исследователя. Именно поэтому компьютер можно рассматривать как партнёра, для работы с которым необходимо хорошо знать физические принципы и возможности каждого используемого метода. Но труд по изучению этих методов будет оправдан, поскольку современная квантовая химия позволяет понять, как устроен мир на молекулярном уровне при исследовании физических, химических и даже биологических процессов.

Поиск по сайту: