Was ist Computerchemie?
Die Computerchemie nutzt Mathematik und Computer, um chemische Probleme zu lösen. Mithilfe von Computersoftware können Chemiker experimentelle Ergebnisse simulieren und Stoffeigenschaften ermitteln. Das Gebiet der Computerchemie hilft dabei, Dinge zu erforschen, die aufgrund der winzigen Natur von Molekülen, Atomen und Nanopartikeln sonst schwierig oder teuer zu finden wären. Ein Großteil des Feldes basiert auf der Schrödinger-Gleichung, die Atome und Moleküle mithilfe der Mathematik modelliert. Ab initio, semi-empirische und molekulare Mechanik sind Methoden der Computerchemie, die häufig zur Analyse molekularer Strukturen eingesetzt werden.
Der rechnergestützte Chemieprozess beginnt mit der Betrachtung einer Theorie wie der Elektronischen Strukturtheorie. Dies hilft, die Bewegung der Elektronen innerhalb eines Moleküls zu bestimmen. An diesem Punkt kann unter Verwendung von mathematischen Gleichungen ein Basissatz basierend auf den Berechnungen bestimmt werden. Diese Informationen können in Computersoftware eingegeben werden, um beispielsweise die Wellenfunktion zu beschreiben, mit der Modelle anderer physikalischer Eigenschaften des Moleküls erstellt werden können. Chemiker können ein Modell der Orbitale des Moleküls sehen, experimentelle Strukturen vorhersagen und die Energie des Moleküls untersuchen.
Mit ab initio können Chemiker die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes untersuchen und mithilfe der Schrödinger-Gleichung die physikalischen Eigenschaften von Molekülen ermitteln. Dazu gehören beispielsweise die Geometrie von Molekülen, das Dipolmoment und die Energie einer Reaktion. Die Schwingungsfrequenzen, die Reaktionsgeschwindigkeit und die freie Energie können ebenfalls mit ab initio ermittelt werden. Da diese physikalischen Eigenschaften äußerst schwierig zu lösen sind, ist es für Computerchemiker erforderlich, sie ausreichend zu vereinfachen, damit die physikalischen Eigenschaften gefunden werden können und immer noch genau sind.
Die Molekularmechanik ist eine Methode der Computerchemie, die in biochemischen Experimenten und Anwendungen verwendet wird. Diese Methode kann für größere Strukturen wie Enzyme verwendet werden und stützt sich auf die traditionelle Physik, ist jedoch nicht in der Lage, elektronische Eigenschaften in Substanzen zu berechnen. Das Gebiet der Computerchemie ändert sich ständig, da die Technologie fortschreitet und neue Theorien entwickelt werden.
Diese Techniken ermöglichen es Chemikern, Strukturen zu untersuchen, die auf Grund ihrer extrem geringen Größe kaum zu betrachten wären. Nanopartikel, die kleiner als Atome sind, können für Anwendungen wie Elektronik, Sprengstoffe und Medizin modelliert werden. Da ein Großteil der Computerchemie auf der Modellierung bekannter Eigenschaften beruht, können diese Experimente fehlerbehaftet sein. Deshalb sind Fortbildungen und Kenntnisse in Chemie und Forschung notwendig, um in der Computerchemie zu arbeiten.