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2013诺贝尔化学奖：多尺度模型是什么？

2019-03-22 16:34:54

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2013年诺贝尔化学奖也公布了。马丁?卡普拉斯、迈克尔?莱维特和亚利耶?瓦谢尔因发展了复杂化学系统的多尺度模型而共同获得2013年诺贝尔化学奖。化学反应发生的速度极快，电子在原子核间跳跃，躲避着科学家们的眼睛。2013年诺贝尔化学奖的获得者们让电脑给出这个神秘过程路径成为可能。化学过程的详细知识将可能优化催化剂、药物和光电电池。全世界的化学家们每天用电脑设计和开展实验。在马丁-卡普拉斯、迈克尔-莱维特及亚利耶-瓦谢尔于上世纪70年代开始发展的模型帮助下，化学家们能详查复杂化学反应中细小的每一步，即使它们无法被裸眼所观测到。化学家们以前用塑料球和小棍子建立分子模型，现在这样的建模工作由计算机完成。上个世纪70年代，马丁-卡普拉斯、迈克尔-莱维特和亚利耶-瓦谢尔为一个用于理解和预测化学过程的强大程序奠定了基础。时至今日，用计算机模型模拟现实化学反应在化学的发展中已是关键性步骤。化学反应发生的速度极快。在几分之一的毫秒的时间内，电子从一个原子核跳到另外一个原子核。经典的化学家们无法追踪这个过程，因为在实验上标定化学反应中每一个细小的步骤是无法实现的。通过本次诺贝尔化学奖所提供的技术方法，科学家们得以让电脑来揭示化学反应过程，例如催化剂提纯尾气或者树叶中的光合作用等。马丁-卡普拉斯、迈克尔-莱维特和亚利耶-瓦谢尔的突破性成就在于，他们成功地将牛顿经典力学与本质上完全不同的量子力学同时考虑在内。以前的化学家只能两选一。经典力学的强项在于它的计算简单，能模拟非常大的原子模型，而缺点是无法模拟化学反应。为了模拟化学反应，化学家们必须使用量子力学，而量子力学则需要大量的计算机机时，所以只能用于小分子模型的模拟。今年的奖获得者们所发展的方法同时包括了经典力学和量子力学的强项。比如，当模拟一个药物与人体内目标蛋白质结合时，目标蛋白质与药物相互作用的部分被电脑用量子力学的理论来计算，而大蛋白质剩下部分被电脑用对计算能力要求较低的经典力学模拟。今日的计算机对于化学家们就像试管一样重要。模拟的结果如此真实，以至于可以预测常规实验的结果。（答案整理自科学公园）


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