为复杂化学系统创立了多尺度模型



北京时间2013年10月9日下午5点45分,2013年诺贝尔化学奖揭晓,美国三位科学家Martin Karplus, Michael Levitt和Arieh Warshel获奖。获奖理由是“为复杂化学系统创立了多尺度模型”。

计算机——原子世界里你的维吉尔(Virgil)

化学家们曾用塑料的球和棍来搭建分子模型。而到今天,建模这一工作变成了在计算机中进行。上个世纪70年代,Martin Karplus,Michael Levitt和Arieh Warshel就为研发了解和预测化学过程的强有力的计算机程序奠定了基础。对今天的大部分化学研究进展而言,反映真实世界的计算机模型起到了极其关键的作用。

化学反应是瞬间发生的。在不到毫秒的时间里,电子从一个原子核跳向另一个原子核。经典化学很难捕捉到这一瞬间;用实验方法来记录化学过程中的每一步是不可能办到的。此次获奖的科学家们所提出的方法能让科研人员通过计算机来解开化学反应过程的神秘面纱,比如废气的催化提纯或者绿叶的光合作用。

Karplus,Levitt和Warshel的研究是突破性的,因为他们成功地让牛顿经典物理学与截然不同的量子物理学齐头并进。在此之前,化学家们在研究中只能两者之间选其一。经典物理学的优势在于计算简便,可适用于大分子模型。而其劣势则在于,无法模拟化学反应过程。这使得化学家只好选择量子物理学,但却需要庞大的计算能力而最终不得不应用在小分子身上。

今年的三位获奖者则取两者之精华,设计出了适用于经典和量子物理学的方法。例如,在模拟药物如何与身体内的目标蛋白耦合时,计算机能够对目标蛋白中那些与药物产生作用的原子采用量子物理学计算方法,而对蛋白质中剩下的部分则可以采用要求不那么高的经典物理学方法。

对于今天的化学家来说,计算机就像试管一样重要。模拟过程是如此的真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。


武汉大学化学与分子科学学院
袁荃课题组
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