Квантова хімія
Квантова хімія — міждисциплінарна галузь науки, яка використовує засади квантової механіки для чисельних розрахунків структур та властивостей хімічних молекул.
Методи квантової хімії дозволяють доволі точно (до 1 пм) розрахувати взаємне розташування атомів у молекулі, визначити кути між хімічними зв'язками, розрахуватиенергії основних станів молекул і теплоту хімічних реакцій, а також визначити шляхи, якими ці реакції здійснюються. Розвинуті в останні роки методи квантової молекулярної динаміки дозволяють промоделювати й відтворити у вигляді відеороликів те, як відбувається перебудова молекули при хімічних реакціях.
Квантова хімія бере свій початок від створення теорії молекули водню Гайтлером і Лондоном у 1928 році. З розробкою квантовомеханічних методів, таких як метод Гартрі — Фока, метод псевдопотенціалу, метод локальної електронної густини, квантова хімія стала особливо швидко розвиватися в 50-60-і роки 20 століття, коли з'явилися потужні обчислювальні машини. Цей розвиток продовжується і донині, причому з ростом потужності обчислювальної техніки, область застосування квантової хімії невпинно розширююється.
Розвиток наукової теорії проходить дві стадії - інтенсивну і екстенсивну. Інтенсивний етап розвитку полягає у виробленні основних постулатів, принципів теорії в ході інтерпретації, як правило, великого числа емпіричних даних. Екстенсивний розвиток починається з застосування теорії до нових експериментальними даними (що, втім, може супроводжуватися збагаченням самої теорії новими менше фундаментальними положеннями).
Не уникла подібної долі і квантова механіка, виникнення якої пов'язано з поясненням спектрів атома водню, питомої теплоємності твердих тіл, а також емпіричних законів випромінювання. Згодом постулати квантової механіки лягли в основу квантової хімії, що представляє собою на сьогоднішній день симбіоз програмування і чисельних методів (процедур, що дозволяють вирішувати рівняння з заданим ступенем точності).
Чому чисельні методи? Остання обставина має потребу в поясненні. Рівняння Шредінгера може бути вирішено суворо лише для систем, що складаються з однієї або двох часток - вже молекула водню являє собою нездійсненне завдання. Таким чином, квантова хімія представляє не тільки сукупність принципів, які доповнюють основні постулати квантової механіки, але і допущення, що лежать в основі різноманітних алгоритмів і покликані знизити ресурсомісткість розрахунку. З вищесказаного випливає два основні критерії будь-якого обчислення: точність і швидкість. Зрозуміло, чим вище ці параметри, тим краще. Саме це «протиріччя» служить стимулом до розвитку квантової хімії (і хіміків теоретиків теж).
Слід зазначити, що квантова хімія була зустрінута представниками хімії експериментальної достатньо холодно. Основним аргументом на користь неспроможності даного розділу теоретичної хімії служить той факт, що результати розрахунку (геометричні параметри, повна енергія системи) практично будь-якого з'єднання (особливо складного) можуть суттєво відрізнятися в залежності від застосовуваного методу. У світлі останнього, квантово-хімічний розрахунок набуває певний фіктивний відтінок. Насправді в основу будь-якого методу покладені деякі допущення, а тому він може адекватно описати лише ту систему, яку ці обмеження зачіпають в найменшій мірі. Нарешті, при розбіжних розрахункових даних слід довіряти складнішого методу.
Розвиток квантової хімії: Поділ історії квантової хімії на два періоди обрано не випадково. Так вийшло, що друга світова війна, яка забрала мільйони людських життів і звернула на руїни міста Європи, обернулася потужним стимулом для розвитку природничих наук і техніки. Це в першу чергу стосується ЕОМ. Незважаючи на те, що комп'ютери кінця 40-х початку 50-х років були дуже громіздкими і повільними (по «електронної мощі» сучасний стільниковий телефон перевершує всі обчислювальні засоби, разом узяті на початок 50-х років), у них була одна чудова особливість (як втім, і у сучасних комп'ютерів): вони могли виробляти однотипні операції з масивами числових даних в обсягах, немислимий для людини. Ця якість якнайкраще підходило для реалізації чисельних (наближених) розрахунків.
Уже на той момент в квантової хімії стали виділятися дві тенденції: напівемпіричні методи та ab initio методи.
Заключення: на розвиток квантової хімії (втім, як і будь-який інший дисципліни) впливає декілька факторів:
1. завдання, які ставлять перед собою хіміки;
2. можливості обчислювальних засобів (персональних комп'ютерів, кластерів та ін.);
3. ресурсомісткість процедури.
Об'єктом дослідження сучасної хімії є фрагменти білка, ДНК, кластерні системи, кристалічні структури, полімери. Всі ці системи характеризуються незліченно великою кількістю електронів, а це, у свою чергу, накладає сильні обмеження на ресурсомісткість сучасних процедур розрахунку. З урахуванням цього єдино застосовними виявляються методи теорії функціонала щільності (з настільки громіздкими системами можуть впоратися ще й методи молекулярної механіки, що характеризуються, втім, куди більш низькою точністю). Тому в найближчі роки (або навіть десятиліття) пріоритет збережеться за методами теорії функціонала щільності, хоча не виключена поява методів, в основі яких лежать зовсім інші принципи.
Зміст останніх двох факторів допоможе відповісти на питання: чи залишиться квантова хімія самостійною дисципліною в найближчі роки? Інакше кажучи, чи стануть процедури розрахунку досить прозорими для хіміків-експериментаторів? На жаль, для отримання адекватних даних необхідно бути достатньо компетентним у відношенні сучасної обчислювальної техніки (знати її можливості) і постійно допрацьовується алгоритмів, що переводить квантову хімію в розряд фізичних дисциплін і, зрозуміло, віддаляє її від вже сформованих розділів хімії. «Відчуження» може піти на спад лише при підвищенні рівня математичної підготовки сучасних фахівців-хіміків.
