Co to jest chemia obliczeniowa?

Chemia obliczeniowa wykorzystuje matematykę i komputery do rozwiązywania problemów chemicznych. Korzystając z oprogramowania komputerowego, chemicy mogą symulować wyniki eksperymentów i znajdować właściwości substancji. Dziedzina chemii obliczeniowej pomaga odkrywać rzeczy, które w innym przypadku byłyby trudne lub kosztowne do znalezienia ze względu na niewielką naturę cząsteczek, atomów i nanocząstek. Duża część pola oparta jest na równaniu Schrodingera, które modeluje atomy i cząsteczki za pomocą matematyki. Ab initio, mechanizmy półempiryczne i molekularne to metody chemii obliczeniowej często stosowane do analizy struktur molekularnych.

Proces chemii obliczeniowej rozpoczyna się od spojrzenia na teorię, taką jak teoria struktury elektronowej. Pomaga to określić ruch elektronów w cząsteczce. W tym momencie, korzystając z równań matematycznych, można ustalić zestaw podstawowy na podstawie obliczeń. Informacje te można wprowadzić do oprogramowania komputerowego, aby opisać takie rzeczy, jak funkcja fali, która może być wykorzystana do stworzenia modeli o innych właściwościach fizycznych cząsteczki. Chemicy mogą zobaczyć model orbitali cząsteczki, zacząć przewidywać struktury eksperymentalne i spojrzeć na energię cząsteczki.

Korzystanie z ab initio pozwala chemikom przyjrzeć się właściwościom fizycznym substancji i użyć równania Schrodingera do znalezienia właściwości fizycznych cząsteczek. Obejmuje to takie rzeczy, jak geometria cząsteczek, moment dipolowy i energia reakcji. Częstotliwości wibracyjne, szybkość reakcji i energia swobodna można również znaleźć za pomocą ab initio. Ponieważ te cechy fizyczne są niezwykle trudne do rozwiązania, chemicy obliczeniowi muszą je uprościć na tyle, aby cechy fizyczne można było znaleźć i nadal były dokładne.

Mechanika molekularna to metoda chemii obliczeniowej stosowana w eksperymentach i zastosowaniach biochemicznych. Metodę tę można zastosować do większych struktur, takich jak enzymy, i opiera się na tradycyjnej fizyce, ale nie jest w stanie obliczyć właściwości elektronicznych substancji. Dziedzina chemii obliczeniowej stale się zmienia w miarę postępu technologicznego i opracowywania nowych teorii.

Techniki te pozwalają chemikom badać struktury, które byłyby prawie niemożliwe do obejrzenia w innym przypadku, ze względu na ich wyjątkowo mały rozmiar. Nanocząstki, które są mniejsze niż atomy, można modelować do zastosowania w zastosowaniach takich jak elektronika, materiały wybuchowe i medycyna. Ponieważ większość chemii obliczeniowej opiera się na modelowaniu znanych właściwości, w tych eksperymentach jest miejsce na błąd. Dlatego do pracy w chemii obliczeniowej niezbędne są zaawansowane szkolenia i wiedza z zakresu chemii i badań.