Компьютерное моделирование в совремнной химии

Компьютерное  моделирование в современной  химии.

Важнейший аспект современной  химии заключается в том, что  наряду с приборными (инструментальными) физическими методами все большее  место в ней занимает компьютерное моделирование. Это словосочетание в последние годы звучит все чаще. Но смысл его, похоже, не вполне ясно очерчен.

Первоначально (около тридцати лет  назад) термин "компьютерное моделирование" чаще всего соответствовал понятию  численного (осуществляемого на ЭВМ) эксперимента [5]. Однако в то время были уже широко распространены квантовохимические расчеты и некоторые другие громоздкие вычислительные задачи. Постепенно граница между расчетами такого типа и собственно компьютерными экспериментами стала размываться. Действительно, и в том, и в другом случае при правильной постановке исследования расчет приводит к получению новой информации, причем вычисления отнюдь не сводятся к обработке результатов экспериментальных измерений.

В настоящее время компьютерное моделирование как метод исследования находит широкое применение отнюдь не только в химии. Применительно к весьма разнообразным разделам естествознания (и даже не только естествознания) к области компьютерного моделирования можно отнести следующие задачи:

I.   Расчетное воссоздание (восстановление, построение) какой-либо системы и/или ее свойств.

II.  Расчетное воспроизведение какого-либо процесса (компьютерный эксперимент).

III. Выявление и описание функциональных  зависимостей (корреляций).

Это моделирование, потому что всегда используется некоторая модель (приближение). Оно компьютерное, поскольку требуется значительный объем вычислений.

Если теперь обратиться к химии, то конкретное содержание перечисленных  задач можно представить следующим  образом:

I. 1. Расчеты строения и спектров молекул и других атомно-молекулярных систем на основе квантовой химии и теоретической молекулярной спектроскопии

2. Построение потенциальных поверхностей

3. Расчеты на основе метода "молекулярной механики"

II. 1. Молекулярная динамика

2. Метод Монте-Карло (строение, динамика и свойства жидкостей, растворов, твердых тел; поверхностные явления, абсорбция)

3. Моделирование химических реакций и химических равновесий, макрокинетические процессы

III. Установление корреляций структура – свойство, проблемы  материаловедения

Заметим, что исследования, относящиеся к важнейшему для химии пункту II.3, пока не увенчались большими успехами. Осуществить компьютерное моделирование химических процессов удалось лишь в некоторых простых случаях. Об уверенном предсказании хода химического превращения для мало-мальски сложных систем говорить пока не приходится. Вообще, компьютерное воспроизведение процессов, происходящих в атомно-молекулярных системах, обладающее многими признаками эксперимента, в настоящее время не дает (если не говорить о простейших модельных ситуациях) результатов, которые по их достоверности можно было бы приравнять к экспериментальным. Возникает методологическая проблема: какое место в системе научных достижений следует отвести сведениям, получаемым путем компьютерного экспериментирования (и других видов компьютерного моделирования)?

Возможно, правильный ответ на этот вопрос состоит в следующем. Коль скоро мы не можем принимать результаты компьютерного моделирования за абсолютную научную истину без дополнительной истинно экспериментальной проверки, их следует считать гипотезами. Однако здесь мы сталкиваемся с гипотезами принципиально нового, ранее неизвестного типа. Если до появления компьютерного моделирования гипотеза всегда представляла собой догадку (более или менее интуитивную), то с возникновением этого метода научного исследования мы получаем в руки совершенно новый инструмент – гипотезу, которую объективно формирует компьютер (разумеется, на основе заданных исходных моделей и их параметров). Таким образом, в арсенале химии (и других разделов естествознания) появляются "объективные" гипотезы ⁾, против которых, возможно, не возражал бы и Ньютон, сказавший, как известно: "Гипотез не измышляю".

Примечательно, что компьютерное моделирование почти неизбежно, почти всегда придает описанию рассматриваемой системы структурный оттенок либо оказывается полностью структурным. Это закономерно: структурные представления все шире и глубже внедряются в химию, новейшие достижения химиков очень часто связаны с изучением именно структурных аспектов явлений. Многочисленные примеры такого рода можно найти в области биохимии и смыкающейся с ней молекулярной биологии (функционирование белков и полинуклеотидов, иммунологические реакции). Другой пример: достижения фемтосекундной спектроскопии, которая позволяет детально и наглядно описать изменение структуры, происходящее в процессе химической реакции.