在计算机上进行化学实验——2013年诺贝尔化学奖解读.pdf

2014年第10期 化学教 育(http：／／www．hxjy．org) 在计算机上进行化学实验 ——2013年诺贝尔化学奖解读 李川 刘克文。 (北京师范大学化学学院北京 100875) Levitt)和 摘要美籍化学家马丁·卡普拉斯(MartinKarplus)、迈克尔·莱维特(Michael 阿利耶·瓦谢尔(AriehWarshel)因“为复杂化学系统设计多尺度模型”而共享了2013年诺贝尔 化学奖。他们在众多科学研究的基础上，结合经典物理和量子物理，提出了“多尺度模型”，即用 量子物理处理分子结构或者化学反应的核心部分，用经典物理模型处理周围物质或环境，而对于 更外围的环境则以电介质模型处理。借助这种模型，通过计算机编程就可以对复杂的化学反应过 程、多相催化和溶液中分子光谱等进行理论计算。 关键词 多尺度模型 计算机编程 量子化学 2013年诺贝尔化学奖 随着化学科学研究的不断深入，化学科学工作 者们希望控制化学反应过程，从而制造出不同结 构、不同性质的产品，进一步造福人类。因此，如 何揭秘复杂的物质结构，研究化学反应的微观过 程，成为长时间困扰化学工作者的重大科研难题。 20世纪60年代，美国西北大学化学教授约翰·波 普尔(John Pople)应用计算机求解分子体系的薛 定谔方程，使得计算机成为理论化学研究的强有力 支撑。之后，理论化学研究取得一系列重大突破。 如，1964—1965年，美国科学家沃尔特·科恩 (Waiter Kohn)等人提出了“密度泛函理论”。20 世纪70年代，为了进一步从理论上研究复杂的分 子结构和化学反应过程，3位美籍化学家马丁·卡 普拉斯(MartinKarplus)、迈克尔·莱维特(Mi- chael Warshel) Levitt)和阿利耶·瓦谢尔(Arieh 在前人研究基础上“为复杂化学系统设计了多尺度 。+． ∥i∥簪≤攀。i 模型”，应用计算机模拟，成功预测了一系列复杂 的化学反应过程，为化学科学理论研究的现代化奠 裂!娟爹 定了基础。为此，3位化学家共享了2013年的诺 。j；羡赛≯《鹱辍≥。。 Paul- 贝尔化学奖。这是继美国化学家鲍林(Linus ing)因研究了化学键的本质并用于解释复杂物质 的结构于1954年获诺贝尔奖、美国科学院院士马 Schematicofmultiscalemodels Fig．1 p,ot 利肯(RobertMulliken)因通过分子轨道方法阐 图1 多尺度模型示意图[2] 明分子的化学键本质和电子结构于1966年获诺贝 从其形成过程来看，“多尺度模型”的提出主 尔奖、日本理论化学家福井谦一(KenichiFukui) 要依赖于理论化学在以下3个方面的发展[1j： 和美国科学家霍夫曼(RoaldHoffmann)分别因 1．1量子力学(Quantum 创建和发展关于化学反应性能的前线轨道理论和发 立和发展 *通信联系人，E-mail：fiukewen21@163．corn 万方数据 ·2· 化 学 教 育(http：／／帆hxjy．org) 2014年第10期 20世纪初，法国物理学家德布罗意和德国物 科学家利用计算机的超强计算能力进行编程，改进 理学家海森堡分