Računarska hemija
From Wikipedia, the free encyclopedia
Računarska hemija je grana hemije koja doprinosi rešavanju hemijskih problema koristeći principe računarstva. Ona koristi rezultate teoretske hemije, inkorporisane u efikasne kompjuterske programe, da proračuna hemijske strukture, i osobine molekula.[1] Mada njeni rezultati često služe kao dopuna eksperimentalnim podacima, postoje situacije u kojima ona predviđa nemerljive fenomene. Računarska hemija je u širokoj upotrebi u dizajnu novih lekova i materijala.
Primeri hemijskih osobina koji se mogu proračunati su struktura (očekivane pozicije konstitutivnih atoma), apsolutna i relativna (interakciona) energija, distribucija naboja elektrona, dipolni i viši multi-polni momenti, vibracione frekvencije, reaktivnost, i druge spektroskopske veličine.[2]
Računarska hemija obuhvata metode koji pokrivaju statičke i dinamičke situacije. Nezavisno od oblasti računarsko vreme i drugi resursi (kao što su memorija i prostor na disku) rastu brzo sa povećanjem veličine studiranog sistema. Sistem može biti jedan molekul, grupa molekula, ili deo čvrsta faza. Metodi računske hemije idu od veoma preciznih do veoma grubih. Veoma precizni metodi su tipično podesni samo za male sisteme. Ab initio metodi su bazirani potpuno na teoriji prvih principa. Drugi (tipično manje precizni) metodi se nazivaju empirijski i polu-empirijski. Njihova imena ukazuju da oni koriste eksperimentalne podatke. Ti podaci su obično uzeti iz prihvatljivih modela atoma ili srodnih molekula, da bi se simulirali neki elementi osnovne teorije.[3][4]
Oba pristupa, ab initio i polu-empirijski se do neke mere oslanjaju na aproksimacije.[5] One se kreću od pojednostavljenih oblika jednačina prvih principa (da bi se lakše ili brže rešavale), do aproksimacija za ograničavanje veličine sistema (na primer uslovi periodičnih granica), do fundamentalnih aproksimacija potpornih jednačina koje su neophodne za njihovo rešavanje. Na primer, većina ab initio proračuna koristi Born-Openhajmerovu aproksimaciju, koja značajno pojednostavljuje Šredingerovu jednačinu zamrzavajući nukleuse u mestu u toku proračuna. U principu Ab initio metodi konačno konvergiraju ka tačnom rešenju jednačine kad god je broj aproksimacija minimalan. U praksi, nije moguće eliminisati sve aproksimacije, i rezidualna greška uvek ostaje. Cilj računske hemije je da smanji rezidualnu grešku, a istovremeno zadrži obim proračuna u nekih prihvatljivim granicama.
U nekim slučajevima, detalji elektronske strukture su manje vazni nego ponašanje molekula u dugoročnom faznom prostoru. To je slučaj u konformacijskim studijama proteina i termodinamike protein-ligand vezivanja. Klasične aproksimacije površine potencijalne energije se koriste jer su one manje računski intenzivne nego elektronske kalkulacije. To je neophodno da bi se omogućile dugotrajnije simulacije molekulske dinamike. Pored toga, heminformatika koristi još više empirijske (i računski dostupnije) metode kao što su modeli fizičko-hemijskih osobina bazirani na mašinskom učenju. Jedan tipičan heminformatički problem je predviđanje vezivnog afiniteta molekula leka ka njegovom biološkom cilju.[6]