Τι είναι η υπολογιστική χημεία;

Η υπολογιστική χημεία χρησιμοποιεί μαθηματικά και υπολογιστές για την επίλυση χημικών προβλημάτων.Χρησιμοποιώντας λογισμικό υπολογιστών, οι χημικοί μπορούν να προσομοιώσουν πειραματικά αποτελέσματα και να βρουν ιδιότητες των ουσιών.Το πεδίο της υπολογιστικής χημείας συμβάλλει στη διερεύνηση των πραγμάτων που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο ή δαπανηρό να βρεθούν λόγω της μικροσκοπικής φύσης των μορίων, των ατόμων και των νανοσωματιδίων.Μεγάλο μέρος του πεδίου βασίζεται στην εξίσωση Schrodinger, η οποία μοντελοποιεί άτομα και μόρια χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά.Το ab initio, η ημι-εμπειρική και η μοριακή μηχανική είναι μέθοδοι υπολογιστικής χημείας που χρησιμοποιούνται συχνά για την ανάλυση των μοριακών δομών.

Η διαδικασία υπολογιστικής χημείας αρχίζει εξετάζοντας μια θεωρία, όπως η θεωρία της ηλεκτρονικής δομής.Αυτό βοηθά στον προσδιορισμό της κίνησης των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα μόριο.Σε αυτό το σημείο, χρησιμοποιώντας μαθηματικές εξισώσεις, μπορεί να προσδιοριστεί ένα σύνολο βάσης με βάση τους υπολογισμούς.Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να εισαχθούν στο λογισμικό υπολογιστή για να περιγράψουν τα πράγματα όπως η λειτουργία κύματος, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μοντέλων άλλων φυσικών χαρακτηριστικών του μορίου.Οι χημικοί μπορούν να δουν ένα μοντέλο των τροχιακών του μορίου, να αρχίσουν να προβλέπουν πειραματικές δομές και να δουν την ενέργεια του μορίου.

Η χρήση ab initio επιτρέπει στους χημικούς να εξετάσουν τις φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας και να χρησιμοποιήσουν την εξίσωση Schrodinger για να μάθουν φυσικά χαρακτηριστικά των μορίων.Αυτό περιλαμβάνει πράγματα όπως η γεωμετρία των μορίων, η ροπή του διπόλου και η ενέργεια μιας αντίδρασης.Οι δονητικές συχνότητες, ο ρυθμός αντίδρασης και η ελεύθερη ενέργεια μπορούν επίσης να βρεθούν χρησιμοποιώντας το ab initio.Δεδομένου ότι αυτά τα φυσικά χαρακτηριστικά είναι εξαιρετικά δύσκολο να λυθούν, είναι απαραίτητο οι υπολογιστές χημικοί να τα απλοποιήσουν αρκετά ώστε να μπορούν να βρεθούν τα φυσικά χαρακτηριστικά και να εξακολουθούν να είναι ακριβή.

Η μοριακή μηχανική είναι μια μέθοδος υπολογιστικής χημείας που χρησιμοποιείται σε πειράματα και εφαρμογές βιοχημείας.Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγαλύτερες δομές όπως τα ένζυμα και βασίζεται στην παραδοσιακή φυσική, αλλά δεν είναι σε θέση να υπολογίσει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες σε ουσίες.Το πεδίο της υπολογιστικής χημείας αλλάζει συνεχώς καθώς αναπτύσσονται τεχνολογικές προόδους και νέες θεωρίες.

Αυτές οι τεχνικές επιτρέπουν στους χημικούς να εξετάσουν τις δομές που θα ήταν σχεδόν αδύνατο να εξεταστούν διαφορετικά, λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους τους.Τα νανοσωματίδια, τα οποία είναι μικρότερα από τα άτομα, μπορούν να διαμορφωθούν για χρήση σε εφαρμογές όπως ηλεκτρονικά, εκρηκτικά και φάρμακα.Δεδομένου ότι μεγάλο μέρος της υπολογιστικής χημείας βασίζεται στη μοντελοποίηση γνωστών ιδιοτήτων, υπάρχει περιθώριο σφάλματος σε αυτά τα πειράματα.Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η προηγμένη κατάρτιση και η γνώση στη χημεία και την έρευνα είναι απαραίτητες για την εργασία στην υπολογιστική χημεία.