計算化學–用電腦做實驗 - 科技大觀園

有了電腦模型，科學家可以模擬分子之間的互動，例如計算一種新藥，與體內特定的蛋白質會產生什麼反應，所以也有人把相關的研究方法，統稱為計算化學。

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他們的主要貢獻，是以電腦為複雜的化學系統建立模型，模擬化學反應的過程。

以下科學三分鐘，特別為您簡介這方面研究的由來，以及它的重要性，請聽今天的主題：計算化學–用電腦做實驗。

談到化學，您會想到什麼？最早人們對化學的印象，往往離不開試管、燒杯、白色實驗衣，還有五顏六色的化學藥品。

許多重要的化學發現，都是化學家藉著經驗，不斷嘗試錯誤，甚至靠著直覺和一點運氣，在實驗室當中做出來的。

化學反應一閃即逝，難以用肉眼觀察，也幾乎不可能用實驗了解化學反應過程中的每一個細節。

隨著對分子結構的了解漸漸增加，在過去，化學家也常用不同顏色的塑膠球，以及黑色塑膠棍，來模擬化學分子的結構。

然而，這種模型還是太過簡化，跟真實狀況相差太遠。

直到二十世紀初，物理學家發現，可以用量子力學，來精確描述微觀世界中原子與分子的行為，透過相關理論發展出計算方法之後，終於讓研究人員引進更強大的工具，那就是電腦。

舉例來說，像蛋白質這樣的大分子，幾乎不可能用實驗追蹤每一步化學反應。

有了電腦模型，科學家可以模擬分子之間的互動，例如計算一種新藥，與體內特定的蛋白質會產生什麼反應，所以也有人把相關的研究方法，統稱為計算化學。

不只是蛋白質，透過電腦模擬，科學家可以估算各種化學分子的結構，以及不同分子之間化學反應的過程。

除了設計新的藥品，還可能用來發展太陽能電池、汽車觸媒轉換器，甚至發展更多的應用。

而卡普拉斯、李維特和瓦歇爾，早在1970年代，就開始進行用電腦模擬化學反應的研究。

他們的研究，為這個領域在今日的廣泛應用，奠定了基礎，也讓他們成為了新科的諾貝爾化學獎得主。

卡普拉斯等三人的創舉，在於把古典力學和量子力學的方法混合使用。

過去化學家想要在電腦上模擬複雜的化學反應，必須選擇使用牛頓的古典力學為基礎設計的軟體，或是用量子力學理論設計的軟體，兩種選一種。

古典力學的計算比較容易，可以比較快地完成計算，但是會忽略掉化學反應中很多重要的細節，簡單來說就是計算比較不精確。

相反地，量子力學的模擬計算很精確，但是要耗費龐大的電腦資源與計算時間，所以沒辦法用於像蛋白質這種大分子。

卡普拉斯等三人，透過電腦軟體，解決了這個問題。

舉例來說，他們早在1976年，就可以用量子力學的方法，模擬蛋白質分子反應中最重要的「活性部位」，至於蛋白質其他的部分，則用古典力學的方法來處理。

這個方法，讓他們用當時的電腦，就可以研究相當大的分子，得到有意義的結果。

當然，計算化學不可能完全取代化學實驗，最後還是需要實驗的印證。

但是計算化學的電腦模擬，卻可能讓設計實驗的化學家，節省許多嘗試錯誤的時間，也可能為過去無法解釋的化學現象，找到真正的原因。

而IC晶片發展的摩爾定律，讓電腦計算能力迅速進步，也讓計算化學蓬勃發展，可以模擬更大的分子，重要性與日俱增。

今天的科學關鍵字，就是 計算化學　computationalchemistry 您可以透過關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】 2013-10-2716:55:00播出 量子力學(10) 蛋白質(66) 推薦文章 110/12/27 試問Siri與Javis的距離有多遠？ 姚荏富｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 110/12/23 為什麼網路廣告都知道我去過哪些地方?手機通訊的資安隱憂與個資保護新技術 吳謹安｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 110/12/27 疫情之下，線上測驗與監考的隱私權難題 許君咏｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 111/03/31 圓周率≈3.14還是3.2，經典名題「化圓為方」可能嗎？ 賴以威｜ 國立臺灣師範大學電機工程學系副教授 儲存書籤 OPEN 關於我們 關於我們 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音&廣播 TechTalk 活動 活動 學生專區 學生專區 回頂部