21. septembra 2020
PChemia

Chémia v počítači

Chemikov si bežne predstavíme ako ľudí v bielych plášťoch, ktorí v laboratóriu miešajú farebné vodičky alebo im niečo vybuchuje. Napriek tomu, že chémia je experimentálna veda a väčšina chemikov naozaj pracuje v laboratóriu (ich vybavenie je však sofistikovanejšie ako nádoby na miešanie farebných vodičiek a k výbuchom dochádza len cielene), existuje kasta chemikov, ktorí sa laboratóriam vyhýbajú a chémiu skúmajú pomocou počítačov s cieľom vypočítať to, čo ich experimentálni kolegovia merajú.

Chémia vznikla ako praktická veda a názory na úlohu výpočtov v nej sa spočiatku rôznili – francúzsky chemik a fyzik Joseph Gay-Lussac sa v roku 1809 optimisticky vyjadril, že čoskoro bude možné vypočítať väčšinu chemických javov, zatiaľ čo jeho krajan, filozof Auguste Comte v roku 1830 vyslovil obavu z takéhto vývoja: „Každý pokus o použitie matematiky v chémii musí byť považovaný za iracionálny a proti duchu tejto vedy. Ak by matematická analýza niekedy zohrávala dôležitú úlohu v chémii (zvrátenosť, ktorá je našťastie takmer nemožná), viedlo by to k jej rýchlej a širokosiahlej degenerácii.“

Novú nádej priniesla začiatkom dvadsiateho storočia kvantová mechanika, pretože až tá dokázala zachytiť všetky javy dôležité vo svete molekúl, atómov a elektrónov. Malo to však háčik. Kvantová mechanika je totiž nie len neintuitívna (polomŕtve mačky, častice na dvoch miestach naraz – veď to poznáte), ale ak chceme vyriešiť jej rovnice pre väčší počet častíc, aj zložitá na výpočet. Ako sa to zhrnul jeden zo zakladateľov kvantovej mechaniky, Paul Dirac:

Základné fyzikálne zákony potrebné pre matematickú teóriu veľkej časti fyziky a celej chémie sú teda kompletne známe a náročnosť spočíva iba v tom, že presná aplikácia týchto zákonov vedie na rovnice príliš zložité na riešenie. Je teda žiadúce vyvinúť aproximatívne praktické metódy pre aplikácie kvantovej mechaniky, ktoré môžu viesť k vysvetleniu hlavných vlastností komplexných atómových systémov bez prílišného počítania.

Príliš veľa výpočtov je relatívny pojem znamenajúci niečo iné pre ľudí a niečo iné pre počítače. Práve pokroky vo výpočtovej technike predstavovali ďalší krok k počítaniu chemických javov. Spomínané zložité rovnice kvantovej mechaniky sa dajú prepísať do reči tabuliek čísel (tzv. matíc) a sčítavania a násobenia čisel v týchto tabuľkách. No a rýchle násobenie a sčítavanie veľa čísel je presne to, v čom sú počítače dobré.

Tak vznikla veda s mnohými menami – teoretická chémia, kvantová chémia, chemická fyzika, výpočtová/počítačová chémia (niektorí ľudia môžu tvrdiť, že to nie sú synonymá, ale mierne odlišné odbory). Hlavnou náplňou práce teoretických chemikov je hľadanie kompromisu medzi presnosťou a zvládnuteľnosťou výpočtov a samozrejme, aj samotné počítačové simulovanie chemických dejov.

V súčasnosti majú chemici dispozícii širokú škálu výpočtových metód: niektoré vychádzajú zo základných fyzikálnych teórií a vlastnosti molekúl, ako napr. usporiadnie atómov alebo silu chemických väzieb, dokážu predpovedať len zo zadania prítomných atómov (tzv. ab initio výpočty – výpočty z prvých princípov).

Niektoré používajú veľmi zjednodušené modely – atómové jadrá nahradzujú nabitými guľôčkami pohybujúcimi sa podľa zákonov klasickej, nie kvantovej fyziky (pre atómové jadrá to často stačí), chemické väzby sú nahadené pružinkami a elektróny silovými poľami (takéto metódy si vyžadujú dodať nejaké parametre od experimentálnych chemikov alebo teoretikov používajúcich presnejšie metódy). Niektoré umožňujú získať výsledky s veľmi vysokou presnosťou, ale sú limitované len na molekuly obsahujúce najviac desiatky atómov, iné dokážu popísať obrovské biologické molekuly obsahujúce desaťtisíce atómov. Na niektoré stačí bežný stolný počítač, iné vyžadujú najmodernejšie superpočítače.

Načo je však dobré počítať, keď môžme merať? Pravda je taká, že merať nevieme vždy a všetko – výpočty teoretických chemikov nám umožňujú študovať deje prebiehajúce pri extrémnych podmienkach (napr. teplotách, tlakoch alebo magnetických poliach), prípadne v ďalekom vesmíre alebo predpovedať vlastnosti prvkov na konci periodickej tabuľky, z ktorých máme k dispozícii len niekoľko atómov žijúcich len zlomky sekundy, či dokonca prvkov, ktoré ešte neboli vyrobené.

Ale aj v prípadoch, kedy sú exprimenty možné, výpočty pomáhajú pri ich interpretácii a pri hľadaní súvislostí medzi pozorovanými javmi (to je, nakoniec, zmysel všetkej teórie). Pri hľadaní látok s užitočnými vlastnosťami, či už napr. liekov alebo materiálov, je zase rýchlejšie a lacnejšie najskôr nájsť niekoľko kandidátov pomocou simulácií a následne v praxi otestovať len týchto zopár látok.

Výpočty a počítačové modely sa preto stali súčasťou chemického repertoáru tak, ako destilácia, filtrácia alebo spektroskopia. Veľká časť chemických článkov informujúcich o objavoch v chémii je podporená výpočtami a články, v ktorých boli prvý raz popísané niektoré z populárnych teoretických metód, patria k najcitovanejším vo vede vôbec, za čo vďačia aj prekryvu s niektorými odvetviami fyziky.

Budúcnosť teoretickej a počítačovej chémie môže byť ešte zaujímavejšia. Virtuálna realita umožní chemikom ponoriť sa do sveta molekúl lepšie ako kreslenie vzorcov na papier. Techniky umelej inteligencie dovolia spracovávať obrovské množstvo informácií a hľadať v nich súvislosti a nové idey. A, ak sa ich podarí skonštruovať, kvantové počítače poskytnú cestu k presnejším a rýchlejším výpočty.

[Lukáš]

Poznámky:

Úvod je inšpirovaný týmto článkom, ktorý je písaný pre profesionálnych fyzikov, ale môže byť zaujímavý pre študentov fyziky alebo nadšencov medzi čitateľmi (a ktorí k nemu môžu mať prístup)
https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.2911179

Článok o budúcnosti počítačovej chémie je voľne prístupný a môže sa ním prehrýzť aj laik hľadajúci nejaké náročnejšie víkendové čítanie:
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.7b00550

Pridaj komentár