Введение
Компьютерная химия — это раздел химии, использующий компьютерное моделирование для решения химических задач. Она применяет методы теоретической химии, реализованные в компьютерных программах, для вычисления структуры и свойств молекул, групп молекул и твердых тел. Значимость этой области обусловлена тем, что, за исключением некоторых относительно недавних результатов, касающихся молекулярного иона водорода (катона диводорода), точное квантовомеханическое описание химических систем аналитически или в замкнутой форме невозможно. Сложность, присущая задаче многих тел, усугубляет трудности в получении детальных описаний квантовомеханических систем. Хотя результаты вычислений обычно дополняют данные, полученные в ходе химических экспериментов, они иногда могут предсказывать необнаруженные химические явления.
Computational chemistry is a branch of chemistry that uses computer simulations to assist in solving chemical problems. It uses methods of theoretical chemistry incorporated into computer programs to calculate the structures and properties of molecules, groups of molecules, and solids. The importance of this subject stems from the fact that, with the exception of some relatively recent findings related to the hydrogen molecular ion (dihydrogen cation), achieving an accurate quantum mechanical depiction of chemical systems analytically, or in a closed form, is not feasible. The complexity inherent in the many body problem exacerbates the challenge of providing detailed descriptions of quantum mechanical systems. While computational results normally complement information obtained by chemical experiments, it can occasionally predict unobserved chemical phenomena.
Приложения
В вычислительной химии существует несколько направлений. Прогнозирование молекулярной структуры молекул путем моделирования сил или более точных квантово-химических методов для поиска стационарных точек на поверхности энергии при изменении положения ядер. Хранение и поиск данных о химических соединениях (см. химические базы данных). Выявление взаимосвязей между химическими структурами и свойствами (см. количественные соотношения структура-свойство (QSPR) и структура-активность (QSAR)). Вычислительные методы, способствующие эффективному синтезу соединений. Вычислительные подходы к разработке молекул, взаимодействующих специфическим образом с другими молекулами (например, при разработке лекарств и в катализе). Эти направления могут привести к различным применениям, как показано ниже.
Катализ
Вычислительная химия – это инструмент для анализа каталитических систем, не требующий проведения экспериментов. Современная теория электронной структуры и теория функционала плотности позволили исследователям открывать и понимать механизмы действия катализаторов. Вычислительные исследования применяют теоретическую химию к изучению катализа. Методы теории функционала плотности рассчитывают энергии и орбитали молекул, создавая модели их структуры. Используя эти методы, исследователи могут предсказывать такие параметры, как энергия активации, реакционная способность центров и другие термодинамические свойства. Методы, такие как теория функционала плотности, могут быть использованы для моделирования молекул лекарственных средств и определения их свойств, например, энергий ВНОО и НСМО, а также молекулярных орбиталей. Специалисты в области вычислительной химии также помогают компаниям в разработке информационных систем, инфраструктуры и дизайна лекарственных препаратов. Помимо синтеза лекарств, вычислительные химики исследуют носители лекарственных средств на основе наноматериалов. Это позволяет моделировать условия окружающей среды для оценки эффективности и стабильности этих носителей. Понимание взаимодействия воды с наноматериалами обеспечивает стабильность материала в живом организме. Эти вычислительные симуляции помогают исследователям оптимизировать материал и найти оптимальный способ его структурирования до начала синтеза.
Техника разделения оператора
То, как вычислительный метод решает квантовые уравнения, влияет на точность и эффективность этого метода. Метод разделения оператора – один из способов решения дифференциальных уравнений. В вычислительной химии метод разделения оператора снижает вычислительные затраты при моделировании химических систем. Вычислительные затраты отражают время, необходимое компьютерам для расчёта этих систем, поскольку для более сложных систем это может занимать дни. Квантовые системы сложны и требуют больших затрат времени для решения человеком. Методы разделения оператора помогают компьютерам быстро рассчитывать эти системы, решая подзадачи в квантовом дифференциальном уравнении. Метод достигает этого, разделяя дифференциальное уравнение на два или более отдельных уравнения. После решения эти уравнения объединяются обратно в одно, что позволяет получить легко вычисляемое решение.
Полуэмпирические методы
Полуэмпирические методы квантовой химии основаны на формализме метода Хартри-Фока, но используют множество приближений и получают некоторые параметры из эмпирических данных. Они играли важную роль в вычислительной химии с 60-х по 90-е годы, особенно при работе с большими молекулами, где применение полного метода Хартри-Фока без приближений было слишком затратным. Использование эмпирических параметров позволяет, по всей видимости, частично учитывать эффекты корреляции в этих методах. Первые полуэмпирические методы были разработаны еще раньше, когда двухэлектронная часть гамильтониана не включалась явно. Для π-электронных систем это был метод Гюкеля, предложенный Эрихом Гюкелем, а для всех валентных электронных систем – расширенный метод Гюкеля, предложенный Роальдом Хоффманом. Иногда методы Гюкеля называют "полностью эмпирическими", поскольку они не выводятся из гамильтониана. Однако термин "эмпирические методы" или "эмпирические силовые поля" обычно используется для описания методов молекулярной механики.
Молекулярная механика
Во многих случаях крупные молекулярные системы можно успешно моделировать, полностью избегая квантово-механических расчетов. Например, в симуляциях молекулярной механики для энергии соединения используется одно классическое выражение, такое как гармонический осциллятор. Все константы, входящие в уравнения, должны быть предварительно получены из экспериментальных данных или расчетов ab initio.
Молекулярная динамика
Молекулярная динамика (МД) использует квантовую механику, молекулярную механику или их комбинацию для вычисления сил, которые затем применяются для решения законов движения Ньютона с целью изучения временной эволюции систем. Результатом моделирования молекулярной динамики является траектория, описывающая изменение положения и скорости частиц во времени. Фазовая точка системы, определяемая положениями и импульсами всех её частиц в данный момент времени, определяет следующую фазовую точку посредством интегрирования законов движения Ньютона.
Монте-Карло
Монте-Карло (МК) генерирует конфигурации системы, внося случайные изменения в положения ее частиц, а также их ориентации и конформации, где это применимо. Это метод случайной выборки, использующий так называемую важность выборки. Методы важностной выборки способны генерировать состояния с низкой энергией, что позволяет точно вычислять свойства. Потенциальную энергию каждой конфигурации системы, а также значения других свойств, можно рассчитать на основе положений атомов.
Квантовая механика/молекулярная механика (КМ/ММ)
QM/MM - это гибридный метод, который стремится сочетать точность квантовомеханических расчетов со скоростью молекулярно-механических методов. Он полезен для моделирования очень больших молекул, таких как ферменты.
Квантовая вычислительная химия
Квантовая вычислительная химия направлена на использование квантовых вычислений для моделирования химических систем, отличаясь от подхода QM/MM (квантовая механика / молекулярная механика). В то время как QM/MM использует гибридный подход, объединяя квантовую механику для части системы с классической механикой для остальной части, квантовая вычислительная химия использует исключительно квантовые вычислительные методы для представления и обработки информации, такие как гамильтонианы. Традиционные методы вычислительной химии часто испытывают трудности с решением сложных квантово-механических уравнений, особенно из-за экспоненциального роста волновой функции квантовой системы. Квантовая вычислительная химия решает эти проблемы, используя методы квантовых вычислений, такие как кубитация и квантовая оценка фазы, которые, как считается, предлагают масштабируемые решения. Кубитация предполагает адаптацию гамильтониана для более эффективной обработки на квантовых компьютерах, повышая эффективность моделирования. Квантовая оценка фазы, в свою очередь, помогает точно определять энергетические собственные состояния, которые критически важны для понимания поведения квантовой системы. Хотя эти методы продвинули область вычислительной химии, особенно в моделировании химических систем, их практическое применение в настоящее время в основном ограничено небольшими системами из-за технологических ограничений. Тем не менее, эти разработки могут привести к значительному прогрессу в достижении более точных и ресурсоэффективных квантово-химических симуляций. В квантовой химии, в частности, сложность может экспоненциально возрастать с увеличением числа электронов в системе. Этот экспоненциальный рост является серьезным препятствием для точного моделирования больших или сложных систем. Передовые алгоритмы в обеих областях стремятся сбалансировать точность и вычислительную эффективность. Например, в молекулярной динамике методы, такие как интеграция Верле и алгоритм Бимана, используются благодаря их вычислительной эффективности. В квантовой химии гибридные методы, сочетающие различные вычислительные подходы (например, QM/MM), все чаще используются для решения задач, связанных с большими биомолекулярными системами.
Примеры алгоритмической сложности
Следующий список иллюстрирует влияние вычислительной сложности на алгоритмы, используемые в химических расчетах. Важно отметить, что, хотя этот список содержит ключевые примеры, он не является исчерпывающим и служит ориентиром для понимания того, как вычислительные затраты влияют на выбор конкретных вычислительных методов в химии.
Алгоритм
Решает уравнения движения Ньютона для атомов и молекул.
Сложность
Стандартный расчет парного взаимодействия в молекулярной динамике приводит к сложности O(N²) для N частиц. Это происходит потому, что каждая частица взаимодействует с каждой другой частицей, что приводит к N(N-1)/2 взаимодействий. Продвинутые алгоритмы, такие как суммирование Эвальда или метод быстрых мультиполей, снижают эту сложность до O(N log N) или даже O(N), группируя удаленные частицы и рассматривая их как единое целое или используя хитрые математические приближения.
Алгоритм
Сочетает квантовомеханические расчёты для небольшой области с молекулярно-механическими расчётами для окружающей среды большего размера.
Сложность
Сложность методов КМ/ММ зависит как от размера квантовой области, так и от метода, используемого для квантовых расчетов. Например, если для квантовой части используется метод Хартри-Фока, сложность может быть приблизительно оценена как , где – количество базисных функций в квантовой области. Эта сложность обусловлена необходимостью итеративного решения системы связанных уравнений до достижения самосогласованности.
Алгоритм
Находит одно состояние Фока, минимизирующее энергию.
Сложность
NP-трудная или NP-полная задача, что демонстрируется за счет встраивания экземпляров модели Изинга в вычисления методом Хартри-Фока. Метод Хартри-Фока включает решение уравнений Рутаана-Холла, сложность которых масштабируется как до , в зависимости от реализации, где – количество базисных функций. Основные вычислительные затраты связаны с вычислением и преобразованием двухэлектронных интегралов. Доказательство NP-трудности или NP-полноты основано на встраивании задач, таких как модель Изинга, в формализм Хартри-Фока.
Алгоритм
Исследует электронную или ядерную структуру многочастичных систем, таких как атомы, молекулы и конденсированные фазы.
Сложность
Традиционные реализации DFT обычно имеют сложность масштабирования , главным образом из-за необходимости диагонализации матрицы Кона-Шэма. Операция диагонализации, определяющая собственные значения и собственные векторы матрицы, вносит наибольший вклад в эту сложность. Современные достижения в области DFT направлены на снижение этой сложности за счет различных приближений и алгоритмических улучшений.
Алгоритм
Методы CCSD и CCSD(T) — это передовые методы электронной структуры, использующие однократные, двукратные и, в случае CCSD(T), возмутительные тройные возбуждения для вычисления эффектов электронной корреляции.
CCSD
Шкала, где – число базовых функций. Этот значительный объем вычислений обусловлен включением одинарных и двойных возбуждений при расчете корреляции электронов. Для других методов, таких как MD или DFT, вычислительная сложность часто определяется эмпирически и подтверждается анализом алгоритмов. В этих случаях доказательство корректности опирается не столько на строгие математические доказательства, сколько на последовательное наблюдение вычислительного поведения в различных системах и реализациях. Молекулы состоят из ядер и электронов, поэтому к ним применимы методы квантовой механики. Химики-теоретики часто пытаются решить нерелятивистское уравнение Шредингера, с добавлением релятивистских поправок, хотя достигнут и определенный прогресс в решении полностью релятивистского уравнения Дирака. В принципе, уравнение Шредингера можно решить как в форме, зависящей от времени, так и в форме, не зависящей от времени, в зависимости от решаемой задачи; на практике это возможно только для очень малых систем. Поэтому большое количество приближенных методов стремится найти оптимальный баланс между точностью и вычислительными затратами. Точность всегда можно повысить, увеличив вычислительные затраты. Существенные ошибки могут возникать в ab initio расчетах для систем с большим числом электронов из-за вычислительной сложности полнорелятивистских методов. В научном сообществе существуют споры о том, достаточно ли этих методов для описания сложных химических реакций, например, в биохимии. Крупные молекулы изучаются с помощью полуэмпирических приближенных методов. Еще более крупные молекулы исследуются методами классической механики, использующими так называемую молекулярную механику (ММ). В методах КМ/ММ небольшие части больших комплексов рассчитываются квантово-механически (КМ), а остальная часть – приближенно (ММ).