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解讀2013年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

時(shí)間:2013-10-10來(lái)1源:博士人才網(wǎng) 作者:91boshi
對(duì)于今天的化學(xué)家來(lái)說(shuō),計(jì)算機(jī)和試管已經(jīng)變得同樣重要。經(jīng)過(guò)理論化學(xué)家不斷創(chuàng)新,計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠逼真地模擬出復(fù)雜的化學(xué)分子模型,進(jìn)而預(yù)測(cè)出化學(xué)實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。
 
10月9日,諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)將2013年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾,表彰他們?cè)?ldquo;發(fā)展多尺度模型研究復(fù)雜化學(xué)體系”上的貢獻(xiàn)。這距離諾貝爾獎(jiǎng)上一次頒發(fā)給理論化學(xué)中的密度泛函理論和量子化學(xué)計(jì)算方法已時(shí)隔15年。
 
“分而治之”描述化學(xué)反應(yīng)
 
化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)微觀過(guò)程,許多化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生可能只需要幾微秒。因此,傳統(tǒng)上用實(shí)驗(yàn)手段描述出反應(yīng)過(guò)程的每一個(gè)步驟幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。而此次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家使計(jì)算機(jī)成為了化學(xué)反應(yīng)的新“試管”。
 
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)化工學(xué)院教授汪志祥向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者解釋:“比如,生命體中的核糖從無(wú)規(guī)則的多肽鏈發(fā)展到穩(wěn)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)所耗時(shí)間在微秒級(jí)。如掃描這一過(guò)程,耗費(fèi)的時(shí)間將是天文數(shù)字,這是傳統(tǒng)研究的難點(diǎn)。”
 
“早在上世紀(jì)70年代,瓦謝爾從理論上提出,可以用計(jì)算機(jī)模擬、以量子力學(xué)和分子力學(xué)結(jié)合的方式描述化學(xué)過(guò)程。而在卡普拉斯之后,這一理論得到廣泛的應(yīng)用。”北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授方維海對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者說(shuō),“三位科學(xué)家在理論方法和應(yīng)用上的貢獻(xiàn)能夠幫助科學(xué)家從微觀尺度上理解化學(xué)過(guò)程的本質(zhì)。”
 
“量子力學(xué)的描述小而精,分子力學(xué)的描述大但精度不高。如果都用高精度的方法來(lái)描述化學(xué)過(guò)程,計(jì)算將難以進(jìn)行,所以,多尺度組合的方法便成了最好的選擇。”方維海說(shuō),“這與中國(guó)古代‘分而治之’的哲學(xué)思想類似。”
 
開(kāi)創(chuàng)化學(xué)研究新局面
 
中科院化學(xué)所研究員史強(qiáng)對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者說(shuō):“三位科學(xué)家建立了基于量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)以及混合量子—經(jīng)典力學(xué)的理論模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)研究蛋白質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)和酶催化反應(yīng)機(jī)理。”
 
史強(qiáng)認(rèn)為,他們的工作在發(fā)展分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,研究復(fù)雜化學(xué)體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面完成了開(kāi)創(chuàng)性的工作。
 
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤則指出,化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性的學(xué)科,三位科學(xué)家提出的模型對(duì)化學(xué)的定量化研究以及化學(xué)理論研究和實(shí)驗(yàn)研究有非常重要的指導(dǎo)作用。同時(shí),該模型還被應(yīng)用于計(jì)算化學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)以及物理學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué),是典型的跨學(xué)科成果。
 
因此,高毅勤向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者表示:“三位獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯繉?duì)化學(xué)學(xué)科的推進(jìn)、化學(xué)與生物學(xué)科交叉發(fā)展都發(fā)揮了相當(dāng)大的作用,具有里程碑式的意義。”
 
國(guó)內(nèi)研究前景看好
 
方維海介紹,盡管國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究起步較晚,但2000年以后,隨著國(guó)家科研實(shí)力增強(qiáng),這一領(lǐng)域研究已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。
 
去年9月,方維海課題組便采用高精度的量子化學(xué)計(jì)算對(duì)螢火蟲(chóng)發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步探索,提出了漸進(jìn)可逆電荷轉(zhuǎn)移引發(fā)熒光的新機(jī)理,首次在電子態(tài)的水平闡明了螢火蟲(chóng)生物發(fā)光的化學(xué)起源。
 
2002年至2004年,高毅勤在哈佛大學(xué)做博士后期間,師從此次獲獎(jiǎng)的卡普拉斯。在高毅勤看來(lái),國(guó)內(nèi)分子模擬相關(guān)研究發(fā)展方興未艾,也正在進(jìn)行方法性創(chuàng)新。“我看好國(guó)內(nèi)分子模擬發(fā)展前景。”他向記者表示。
 
高毅勤課題組致力于用理論與計(jì)算方法研究生物分子的溶液構(gòu)象、生物酶催化機(jī)制和化學(xué)反應(yīng)中的溶劑化效應(yīng)。他們成功地預(yù)言了一系列蛋白質(zhì)多肽鏈折疊機(jī)制和其中的共溶劑效應(yīng)。
 
“計(jì)算機(jī)模擬還將被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì),具有節(jié)省時(shí)間和成本等優(yōu)點(diǎn)。”汪志祥告訴記者。

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