Для решения задач компьютерной химии необходимо

Обновлено: 21.11.2024

Помимо интереса к компьютерному моделированию и методам статистического анализа, карьера в области вычислительной химии требует терпения, логического мышления и внимания к деталям.

«Навыки работы с людьми» также важны в этой области. Вычислительным химикам необходимо сотрудничать с другими учеными, и они должны быть в состоянии объяснить результаты своих экспериментов своим клиентам. Сильные коммуникативные навыки, общительный характер и склонность выполнять роль консультанта — важные факторы успеха химика-вычислителя.

Обычные должностные обязанности

Химики-вычислители используют высокопроизводительные вычисления для решения проблем и создания моделей, требующих больших объемов данных. Химики-вычислители должны понимать основные принципы моделирования, оптимизации или других расчетов, чтобы установить условия и параметры своего исследования и обеспечить, чтобы результаты были значимыми и правильно интерпретировались.

Примеры работ, которые может выполнять вычислительный химик, включают:

Использование моделирования для определения участков белковых молекул, которые с наибольшей вероятностью будут связывать новую молекулу лекарственного средства.
Создание моделей реакций синтеза для демонстрации эффектов кинетики и термодинамики.
Изучение основных физических процессов, лежащих в основе таких явлений, как сверхпроводимость, накопление энергии, коррозия или фазовые переходы.

Некоторые компьютерные химики занимаются исключительно разработкой и применением программного обеспечения. Они сотрудничают со своими коллегами в лаборатории, клинике или на местах, чтобы применять и проверять свои модели. Они также могут работать с учеными-компьютерщиками, которые разрабатывают передовые аппаратные и программные возможности для работы над особо крупными или сложными задачами.

Небольшим компаниям и академическим подразделениям часто требуется, чтобы химик-вычислитель мог выполнять все аспекты вычислительной работы, от обслуживания аппаратного и программного обеспечения до применения методов моделирования. В более крупных учреждениях группы, как правило, состоят из отдельных экспертов по разработке программного обеспечения, обслуживанию оборудования, системному администрированию и моделированию приложений.

Типичные рабочие обязанности химика-вычислителя включают:

Применение новых программных и аппаратных возможностей для сбора и анализа данных
Разработка компьютерных моделей и симуляций химических и биохимических процессов и объектов
Выполнение и интерпретация статистического анализа больших наборов данных
Создание визуальных представлений путей реакций, молекулярных взаимодействий или других явлений.
Описание новых соединений и процессов для поддержки патентных заявок
Помощь в разработке процессов синтеза
Обслуживание клиентов или поддержка продаж.
Проведение курсов и обучение студентов
Проектирование экспериментов

Карьера

Профессиональные химики-вычислители могут заниматься преподаванием и/или исследовательской деятельностью в академических кругах, а также работать в промышленности, государственном учреждении или национальной лаборатории. Они также могут поддерживать и обучать пользователей, студентов или клиентов, а также разрабатывать новые возможности для сбора и анализа данных.

Работодатели в отрасли обычно включают компании в области фармацевтики, нефти и промышленной химии.
Государственные вакансии доступны в национальных лабораториях и различных государственных учреждениях.
Компьютерные химики в академической среде часто проводят курсы или предоставляют индивидуальные инструкции по использованию различных типов программного обеспечения или анализа данных. В национальных лабораториях они могут обучать приезжих пользователей и проводить собственные исследования.
Химики-вычислители службы поддержки клиентов могут выезжать в лаборатории своих клиентов для обучения или оказания им технической помощи.

Многие химики-вычислители разрабатывают и применяют компьютерные коды и алгоритмы, хотя практикующие химики-вычислители могут сделать успешную карьеру, не занимаясь разработкой кода. После нескольких лет работы в аспирантуре химики-вычислители могут перейти к управлению или администрированию программ или возглавить группы исследователей, работающих над крупным проектом.

Начало работы

Сильные кандидаты на карьеру в области вычислительной химии будут иметь:

Различные уровни навыков программирования, разработки кода и архитектуры программного обеспечения.
Понимание теоретических принципов, включая кинетику, термодинамику и квантовую химию.
Навыки решения проблем и интерес к решению фундаментальных и прикладных исследовательских задач.
Навыки адаптации и интеграции компьютерного программного обеспечения для решения новых категорий проблем

Исследования и руководящие должности в области вычислительной химии обычно требуют наличия докторской степени и нескольких лет опыта работы в аспирантуре. Хотя возможности в этой области без докторской степени ограничены, выпускники со степенью магистра могут найти работу в качестве научных сотрудников или в роли поддержки пользователей.

Компьютерные технологии произвели революцию в нашем образе жизни и в том, как мы занимаемся наукой. За последние два десятилетия все исследовательское предприятие претерпело революцию, поскольку ученые и инженеры используют достижения, происходящие в компьютерном оборудовании и программном обеспечении, а также в новых математических и теоретических подходах. Эта революция основана на использовании массивно-параллельных высокопроизводительных компьютеров для решения сложных уравнений, описывающих природные явления, например уравнения Шредингера для электронного движения в молекулах или уравнений движения Ньютона для классического движения сотен тысяч частиц, таких как те, что в белке. Роль моделирования в современной научной и технической деятельности нельзя недооценивать, и использование эффективного моделирования и симуляции играет решающую роль в современных научных достижениях. Моделирование, теория и симуляция могут улучшить наше понимание известных систем. Он может дать качественное/количественное представление об экспериментальной работе и помочь в выборе экспериментальной системы для изучения или сделать возможным проектирование новых систем. Моделирование может предоставить количественные результаты для замены слишком сложных, опасных или дорогостоящих экспериментов и может расширить ограниченные экспериментальные данные в новые области пространства параметров.

Ежегодные отчеты по вычислительной химии содержат подробные описания того, как мы можем использовать методы вычислительной химии для решения сложных задач. Эта серия обеспечивает глубину на уровне эксперта в этой области, а также на уровне, который будет полезен для студентов, заинтересованных в изучении того, как использовать вычислительные методы для решения реальных проблем в химии.

Как можно использовать вычислительную химию для решения реальных проблем? Точные термохимические и кинетические расчеты необходимы для широкого спектра технологий. Вычислительная химия может предоставить эти данные по сниженной цене без необходимости проведения сложных, дорогих и потенциально опасных экспериментов. Например, такие данные необходимы для проектирования установок по переработке ядерных отходов для решения экологических проблем, включая радиоактивное загрязнение от переработки ядерного оружия во время холодной войны. Существует острая необходимость в разработке «зеленых» химических производственных процессов и возобновляемых видов топлива из биомассы или для улавливания и преобразования солнечной энергии. Вычислительная химия может предоставить данные, недоступные из эксперимента, для разработки улучшенных катализаторов и систем улавливания кислых газов (например, двуокиси углерода). Его можно использовать для разработки новых технологий улавливания солнечной энергии и улучшенных возможностей хранения и транспортировки этой энергии, чтобы свести к минимуму воздействие использования энергии на окружающую среду. Прогнозирование процессов окисления в тропосфере, связанных с образованием аэрозолей, важно для уменьшения смога, а также для изучения того, как образуются облака, которые могут задерживать инфракрасное излучение вблизи поверхности Земли. Опять же, вычислительная химия может предоставить важные данные и важную информацию о химии. Вычислительная химия сыграла важную роль в переходе от хлорфторуглеродов к их альтернативам, включая проектирование химических заводов, что помогло сохранить стратосферный озоновый слой.

Область, в которой вычислительная химия имеет долгую историю влияния на технологии, — это фармацевтический дизайн, а также разработка пестицидов для сельского хозяйства. Вычислительная химия дает представление о том, как химические вещества могут связываться в активном центре белка, чтобы блокировать или стимулировать его функцию. Эти вычислительные инструменты дают представление о динамике движения белка и могут даже использоваться для предсказания того, что происходит, когда одна аминокислота заменяется другой. Вычислительная химия играет роль в развитии протеомики, поскольку разрабатываются технологии для наблюдения за тем, как количество и свойства белка изменяются на уровне клетки. Это часть подхода к индивидуальной медицине, когда врачи смогут отслеживать любые проблемы и лечить одного человека по мере его старения. Улучшение борьбы с вредителями окажет влияние на здоровье человека, а также на производство продуктов питания. Улучшение нашей способности выращивать достаточно пищи, чтобы накормить население Земли с минимальным воздействием на окружающую среду, имеет решающее значение для поддержания планеты. Для этого необходимы улучшенные гербициды и инсектициды, не наносящие вреда окружающей среде.

О годовых отчетах по вычислительной химии

Ежегодные отчеты по вычислительной химии содержат своевременные и критические обзоры важных тем вычислительной химии применительно ко всем химическим дисциплинам. Охваченные темы включают квантовую химию, молекулярную механику, силовые поля, химическое образование и приложения в академических и промышленных условиях. Каждая статья посвящена самой последней литературе и достижениям в этой области и посвящена определенной теме, важной для химиков-вычислителей.

Посмотрите последние тома на ScienceDirect:

О редакторе:

Доктор. Дэвид А. Диксон был заведующим кафедрой химии Роберта Рамзи в Университете Алабамы с января 2004 года. Общая цель работы его исследовательской группы состоит в том, чтобы разработать подходы вычислительной химии на передовых компьютерных системах, а затем применить их для решения ряд важных национальных проблем с упором на энергетику и окружающую среду. Важные области исследований включают гетерогенный и гомогенный катализ, включая химию кислых газов и конверсию биомассы, геохимию и минеральные поверхности, биохимию пептидов для протеомики на основе анионов, химию тяжелых элементов для очистки окружающей среды и передовые ядерные топливные циклы, химические материалы для хранения водорода, а также фтор и химия основной группы.

Он получил ряд наград, включая звание младшего научного сотрудника Гарварда, научного сотрудника Слоана, преподавателя-ученого Дрейфуса, Премию Лео Хендрика Бэкеланда Американского химического общества 1989 г., Премию Федерального лабораторного консорциума 2000 г. Премия Химического общества за творческую работу в области химии фтора, награда Министерства энергетики США по исследованиям и разработкам в области водорода в 2010 г., премия Burnum 2011 г. от Университета Алабамы, награда Университета Алабамы SEC за достижения в 2012 г. и награда ACS Отделения химии фтора за выдающиеся заслуги в 2015 г. , Он является членом Американской ассоциации содействия развитию науки, Американского физического общества, Американского химического общества и Европейской академии наук.

Вычислительная химия — это раздел химии, использующий компьютерное моделирование для решения сложных химических проблем.

Связанные термины:

Скачать в формате PDF

Об этой странице

Теория и методы

9.29.5 Заключение

Вычислительная химия может внести значительный вклад в механистическое понимание происхождения энантиоселективности в асимметричном синтезе, катализируемом переходными металлами. Расчеты улучшили наше понимание различных процессов, включая катализируемое родием гидрирование, дигидроксилирование, катализируемое осмием, алкилирование, катализируемое цинком, катализируемое медью циклопропанирование и катализируемое ванадием сульфоксидирование.

Теоретическое исследование асимметричного синтеза, тем не менее, остается сложной задачей. Во-первых, вычислительный метод должен быть в состоянии правильно воспроизвести разность энергий, которая часто меньше 3 ккал/моль. Это обычно решается за счет использования современных методов QM или QM/MM и постоянно растущей мощности компьютеров, а также благодаря устранению ошибок, которые обычно имеют место при сравнении сходных путей, ведущих к R и < em>S товары. Напротив, нынешние узкие места для более широкого, близкого к черному ящику применения вычислительной химии к асимметричному синтезу заключаются в механистической сложности реакций, связанных с асимметричным катализом. Асимметричный катализ осуществить нелегко, и поэтому системы, в которых он происходит, обычно далеко не тривиальны.

Вычислительная химия до сих пор играла важную роль в понимании механистической сложности из-за ее способности получать информацию о промежуточных соединениях, которые по кинетическим причинам трудно охарактеризовать с помощью экспериментов. Следует признать, что в большинстве случаев расчеты проводились после эксперимента, подтверждая то, что уже было известно, и объясняя, почему. Это действительно может помочь улучшить процессы, поскольку понимание происхождения энантиоселективности является отличной отправной точкой для разработки новых систем, которые могут преодолеть ограничения существующих.

Будущие разработки в этой области должны быть направлены на использование потенциала вычислительной химии для прогнозирования ее, чтобы разрабатывать новые процессы с нуля. Путь к этой цели лежит не через разработку новых методов оценки энергии, которые кажутся уже достаточно точными, а через более эффективное использование компьютеров в таких рутинных задачах, как поиск конформации или правильное исследование сложных механистических ландшафтов.До сих пор эти задачи зависели от человеческих усилий, и для сложных систем они отнимали слишком много времени. Если удастся добиться этих относительно незначительных улучшений, то будущее выглядит многообещающим для крупного прорыва в вычислительном исследовании энантиоселективного синтеза, который может стать основной областью практического применения вычислительной химии.

Составные методологии Ab initio: их значение для химического сообщества

Праджай Патель , . Анджела К. Уилсон, Ежегодные отчеты по вычислительной химии, 2021 г.

Аннотация

Вычислительная химия для дизайна фотосенсибилизаторов и исследования повреждений ДНК

Аннотация:

Вычислительную химию можно использовать для прогнозирования фотохимической реактивности и разработки фотосенсибилизаторов для фототерапии рака. Например, активность фотосенсибилизатора в отношении повреждения ДНК можно оценить из расчета энергии ВЗМО молекул. В целом, повреждение ДНК опосредовано следующими двумя процессами: 1) фотоиндуцированным переносом электрона от основания ДНК к фотосенсибилизатору с фотовозбуждением и 2) модификацией основания путем генерации синглетного кислорода посредством переноса фотоэнергии от фотосенсибилизатора к кислороду. Повреждающая ДНК активность фотосенсибилизатора посредством переноса электронов тесно связана с энергетическим уровнем ВЗМО молекулы. Было продемонстрировано, что степень фотосенсибилизированного аналогами ксантона повреждения ДНК пропорциональна энергетической щели между уровнем ВЗМО фотосенсибилизатора и уровнем гуанина. Кроме того, вычислительная химия может быть использована для исследования механизма химиопрофилактического действия на фототоксичность. Кроме того, расчет молекулярных орбиталей полезен для разработки фотосенсибилизатора, в котором активность генерации синглетного кислорода контролируется распознаванием ДНК. Синглетный кислород является важным активным видом кислорода для борьбы с раком. Контроль генерации синглетного кислорода ДНК необходим для достижения индивидуальной фототерапии рака. Несколько порфириновых фотосенсибилизаторов были разработаны на основе расчета молекулярных орбиталей для контроля активности генерации синглетного кислорода.

Происхождение групповых частот

Аннотация

Вычислительную химию можно использовать для расчета колебательных спектров и нормальных колебательных мод для относительно простых молекул. Вычислительные затраты на такие расчеты с более крупными молекулами быстро становятся непомерно высокими, требуя методов эмпирического анализа. К счастью, определенные функциональные группы в органических молекулах последовательно производят ИК- и КР-полосы в характерной области частот. Эти характерные полосы называются групповыми частотами. На основе простых классических механических соображений описывается основа групповых частот. Описаны удлинения линейных связанных осцилляторов и представлен эффект изменения валентного угла. Обсуждаются последствия увеличения длины цепи и, следовательно, количества связанных осцилляторов, и приводится аналогичный пример изгибных колебаний. На основе этой базовой структуры представлены общие эмпирические правила для некоторых часто встречающихся комбинаций осцилляторов.

Моделирование физической сорбции в пористых твердых телах

Аннотация

Вычислительная химия теперь стала неотъемлемым компонентом науки об адсорбции применительно к пористым твердым телам. Цель этой главы — показать, насколько ценны инструменты моделирования не только для помощи, но и для руководства экспериментаторами при характеристике материалов и определении их адсорбционных/диффузионных свойств. Приведено несколько иллюстраций различных систем, которые ясно показывают, что классическое молекулярное моделирование (большой канонический метод Монте-Карло и молекулярная динамика), связанное с квантовой химией, представляет собой мощный набор инструментов для прогнозирования поведения адсорбции широкого диапазона пористых твердых тел и дальнейшего выяснения механизмов при играть в микроскопическом масштабе. Также представлена крупномасштабная вычислительная стратегия для эффективного скрининга адсорбционных характеристик обширной библиотеки пористых твердых тел перед тем, как приступить к рациональному анализу взаимосвязей между структурой и адсорбционными свойствами.

Разработка и внедрение упражнения по биомолекулярной стыковке для лаборатории общей химии

Клэр Э. О’Грэйди , . Адам В. Ван Винсберг, Ежегодные отчеты по вычислительной химии, 2014 г.

Аннотация

Вычислительная химия стала широко использоваться практически во всех разделах химии. Поэтому важно, чтобы студенты знакомились с этими методами на протяжении всей учебной программы бакалавриата. В этой работе мы представляем лабораторное упражнение по стыковке биомакромолекул, направленное на введение вычислительной физической химии в контексте связывания белок-лиганд для студентов первого семестра, изучающих химию.Упражнение направлено на изучение свойств связывания стойких органических загрязнителей, в частности бисфенола А и его метаболита бисфенола-А глюкуронида, с рецепторами эстрогена. В этом отчете дается описание учений, их целей и программных инструментов, которые использовались для выполнения лабораторных работ. Важно отметить, что все аспекты учений могут быть выполнены с использованием свободно доступного программного обеспечения и веб-серверов. Успех упражнения оценивался с помощью предварительного и последующего тестирования концептуального и фактического содержания и опросов отношения учащихся по шкале Лайкерта.

Катализируемое металлами асимметричное гидрирование: эволюция и перспективы

Мария Бесора, Фелиу Масерас, «Достижения в области катализа», 2021 г.

Аннотация

Вычислительная химия внесла значительный вклад в понимание механизма асимметричного гидрирования с помощью гомогенного катализа переходными металлами, и ее основные вклады обсуждаются в этой главе. Описаны как катализаторы асимметрического гидрирования, так и катализаторы трансферного гидрирования. Вычислительные методы для характеристики энантиоселективных переходных состояний обычно основаны на теории функционала плотности, обсуждаются различные функционалы и их точности, а также основы для вычислительного предсказания энантиомерного избытка. Основные механизмы гидрогенизации, о которых сообщалось, классифицируются по множеству критериев, включая внутреннюю/внешнюю сферу и участие лиганда; и обсуждаются избранные примеры. Происхождение энантиоселективности анализируется посредством взаимодействий, присутствующих в переходном состоянии, определяющем энантиоопределение гидрирования. Описываются инструменты, применяемые для изучения этих взаимодействий, включая диаграммы квадрантов, графики нековалентных взаимодействий или анализ взаимодействия-искажения. Дана характеристика избранных примеров энантиопределенных переходных состояний. Наконец, представлено краткое обсуждение предсказания энантиоселективности с помощью рационального проектирования, статистики или методов машинного обучения.

Теоретические исследования взаимодействия нанотрубок нитрида бора с лекарствами

4.2 Методы теории функционала плотности

Вычислительная химия – это раздел химии, в котором компьютерное моделирование помогает решать сложные химические задачи. Он использует методы теоретической химии, включенные в эффективные компьютерные программы, для расчета структур, взаимодействий и свойств молекул [43]. Существуют различные методы, подходящие для вычислительной химии, такие как ab initio, полуэмпирические методы и методы теории функционала плотности (DFT). Среди этих методов расчеты DFT приобрели важную роль в исследовании взаимодействий между BNNT и молекулами лекарств: за последние несколько лет было предпринято много попыток исследовать взаимодействия BNNT с различными молекулами с использованием этого подхода.

DFT — это широко используемый формализм для расчетов электронной структуры атомов, молекул и твердых тел [44], основанный на более ранней фундаментальной работе Хохенберга и Кона [4] и Кона и Шэма [5]. В формализме Кона-Шэма DFT [45] электронная плотность разлагается на набор орбиталей, что приводит к самосогласованному решению набора одноэлектронных уравнений Шредингера. Уравнения Кона–Шэма структурно аналогичны уравнениям Хартри–Фока, но в принципе включают именно многочастичные эффекты через локальный обменно-корреляционный (xc) потенциал. Таким образом, DFT в вычислительном отношении намного менее затратен, чем традиционные подходы ab initio с волновой функцией множества электронов, и это объясняет его большой успех для больших систем. Существенным элементом DFT является ввод обменно-корреляционного (xc) функционала энергии, точный вид которого неизвестен. Простейшим приближением для функционала энергии xc является приближение локальной спиновой плотности (LSDA) [46] однородного электронного газа. Недостатком LSDA является то, что потенциал xc затухает экспоненциально и не следует правильному дальнодействующему асимптотическому кулоновскому (-1/r) поведению. В результате электроны LSDA слишком слабо связаны, а для отрицательных ионов даже несвязаны.

Более точные формы функционалов энергии xc доступны из приближения обобщенного градиента (GGA) [47], которое учитывает градиент электронной плотности. Однако потенциалы xc, полученные из этих энергетических функционалов GGA, страдают теми же проблемами, что и в LSDA, и также не имеют надлежащего поведения дальнодействующего асимптотического потенциала. Несмотря на это, полные энергии основных состояний, предсказанные этими функционалами плотности GGA, достаточно точны.Расчеты теории функционала плотности, реализованные в различных вычислительных программах, таких как Gaussian [48], SIESTA [49], VASP [50], DMOL 3 [51], обычно применяются для исследования взаимодействия лекарств с БННТ.

Дизайн ковалентных ингибиторов

Эрнест Авунор-Уильямс, . Кристофер Н. Роули, Ежегодные отчеты по медицинской химии, 2021 г.

3.2.2 Прямой расчет энергетики реакции

Вычислительная химия позволяет оценить стабильность частиц в профиле реакции путем расчета электронной структуры частиц в профиле реакции. Стабильность этих видов может служить дескриптором аналогичных видов реакции ковалентной модификации внутри белка-мишени. Эти расчеты позволяют избежать необходимости в дескрипторах, основанных исключительно на электронной структуре. Об одном примечательном примере этого сообщили Лонсдейл и др., Которые обнаружили, что логарифм периода полураспада для реакции между глутатионом и электрофилами на основе акриламида коррелирует с расчетами DFT как энергии активации, так и стабильности продукта тиоэфира. . 31

Добавление тиола к некоторым электрофилам лишь незначительно экзергонично, поэтому в некоторых случаях эти добавления обратимы. Хотя ингибиторы с такими боеголовками образуют ковалентную связь со своей целью, они могут диссоциировать от цели, хотя и с исключительно длительным временем пребывания. Тонтон и его коллеги использовали рассчитанное методом DFT сродство к протону соответствующего карбаниона тиоловых аддуктов на основе акрилонитрила в качестве дескриптора для прогнозирования скорости, с которой эти ковалентные аддукты подвергаются β-элиминированию, чтобы вернуться обратно к цистеиновому тиолу и диссоциированному лиганду. 17 Для серии из 10 модельных акрилонитрилов, замещенных арильными и гетероарильными электроноакцепторными группами, реагирующими с модельным тиолом, β-меркаптоэтанолом, рассчитанное сродство к протону предсказало скорость β-отщепления тиола для аддуктов с R 2 значение 0,96. Было обнаружено, что эти ковалентные аддукты подвергаются β-элиминированию со скоростью, обратной величине сродства к протону соответствующих карбанионов (схема 2).

Схема 2 . Схема реакции для сродства к протону и скорости β-элиминирования аддуктов акрилонитрила/β-меркаптоэтанола, изученная Krishnan et al. 17 Группы ингибиторов акрилонитрила (например, EWG и R) представляют собой различные химические фрагменты, присоединенные к электрофильным α- и β-углеродам соединений, исследованных в исследовании.

Хотя энергии реакций были рассчитаны с использованием DFT, этот тип моделирования очень чувствителен к используемым вычислительным методам. Самые ранние ab initio модели ковалентной модификации тиолов предсказывали канонический ионный механизм. Более поздние модели описывают согласованные или радикальные механизмы. Смит и др. показали, что несколько популярных методов DFT (например, B3LYP, PBE, DFTB) предсказывают, что енолятный промежуточный продукт присоединения тиола-Майкла не является промежуточным продуктом в этом механизме реакции, но высокоуровневые методы ab initio, такие как CCSD(T), предсказывают стабильную реакцию. енолят промежуточный. 38 Анализ Awoonor-Williams et al. показали, что виновата ошибка делокализации в популярных методах DFT, которая ложно благоприятствует состояниям, в которых тиолат образует нековалентный комплекс с электрофилом. 39 Во многих случаях это приводит к существенной недооценке стабильности карбанионного интермедиата и может даже привести к отсутствию какого-либо минимума потенциальной энергии, соответствующего этому интермедиату. Некоторые функционалы DFT (например, ωB97X-D, PBE0) точно описывают эти реакции, поэтому этот тип моделирования может быть выполнен с использованием экономичных методов DFT при условии использования соответствующего функционала.

Конформация ациклических молекул

Анил В. Карник, Мохаммед Хасан, Стереохимия, 2021

7.5.1 Молекулярная механика и квантово-механические подходы к оценке энергии молекул в различном расположении

Вычислительная химия использует математическую взаимосвязь между геометрией молекулы и поверхностной потенциальной энергией (ППЭ). Здесь представлено очень краткое представление об этом подходе. Молекулярное моделирование может быть выполнено с использованием одного из двух основных вычислительных методов: (1) подхода молекулярной механики или (2) подхода квантовой механики. Методы молекулярной механики не учитывают движения электронов, а потенциальная энергия системы рассчитывается только как функция положения ядер.

Молекулярная геометрия была определена с точки зрения четырех параметров этого метода, а именно: валентные углы θ, торсионные углы φ, длины связей r и расстояния без связи d. Предполагается, что отклонение от эталонного состояния с наименьшей энергией вызывает увеличение энергии, называемое энергией деформации (SE), которое показано уравнением (7.8) .

Первые три компонента, а именно., валентные углы θ, торсионные углы φ и длины связей r рассматриваются как связанные взаимодействия; и четвертый компонент, несвязанные взаимодействия зависят в основном от расстояния между двумя группами, участвующими в пространстве, взаимодействия Ван-дер-Ваальса, кулоновские взаимодействия, взаимодействия водородных связей в основном вносят вклад в этот энергетический член.

По сравнению с подходом квантовой механики этот подход менее точен, но вычисления управляемы и быстрее, чем в квантовой механике. Этот метод удобен и для больших систем. Были оценены бездеформационные структурные параметры, которые используются для расчета S.E. Для ациклических молекул S.E. в основном вызвано отталкивающими несвязанными взаимодействиями, а во многих циклических системах угловая деформация и торсионные затмевающие взаимодействия являются основными причинными факторами для СЭ.

Подходы, основанные на квантовой механике, включают решение электронного уравнения Шредингера с доступными положениями ядер и количеством электронов, чтобы получить информацию, такую как плотность электронов, энергии и некоторые другие связанные свойства. Таким образом, подход заключается в изучении электронных взаимодействий на атомном уровне. Различные термины энергии используются с дискретными значениями/количественными терминами.

Методы, основанные на квантовой механике, можно условно разделить на методы Ab initio и полуэмпирические методы.

Методы Ab initio включают расчеты «из первых принципов», они детализированы, включают множество электронных функций и, следовательно, включают сложные вычислительные методы. Результаты более точны, чем другие вычислительные методы, но неизменно требуют большей продолжительности, иногда несколько дней для вычислений. Они обычно используются для малых молекул; для больших систем, таких как большие белковые молекулы, методы Ab initio, как правило, не подходят.

Полуэмпирические методы используют несколько приближений в попытке упростить вычислительные сложности, связанные с методами Ab initio. Теория НМО, например, популярная среди химиков-органиков, представляет собой полуэмпирический метод. Полуэмпирические методы менее точны, чем методы Ab initio, но при таком подходе вычисления могут выполняться быстрее.

Компьютерное оборудование состоит из физических частей компьютера, включая ЦП (центральные процессоры), материнскую плату, графическую карту, процессорный кулер, жесткий диск или SSD (твердотельный накопитель), ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), а также компьютер. периферийные устройства, к которым относятся: мониторы, компьютерная мышь и клавиатура. Использование химии позволяет улучшить компьютерное оборудование за счет использования химических металлов и неметаллов, таких как свинец, ртуть, полихлорированные бифенилы (ПХБ) и многие другие.

Компьютерные мониторы

Первыми доступными компьютерными мониторами были ЭЛТ-мониторы или (электронно-лучевая трубка), также известная как вакуумная трубка, которая содержит одну или несколько электронных пушек и фосфоресцирующий экран, который используется для отображения изображений. Фосфоресцентный материал является важным материалом, который позволяет работать ЭЛТ-экрану. Фосфоресцент содержит множество химических элементов и соединений. Начиная с фосфоресцентных пигментов, включающих сульфид цинка и алюминат стронция, и самого фосфоресцирующего пигмента, содержащего сульфид кальция.

С помощью химии стало возможным производить ЭЛТ-мониторы, светодиодные мониторы и экраны радаров с использованием соединения переходного металла, называемого люминофором. Люминофор представляет собой соединение, которое «проявляет явление люминесценции». [Вики Фосфор, стр. 1, строка 1]. ЭЛТ-мониторы создают одиночные световые узоры, обычно круглого или прямоугольного формата. [Wiki Phosphor, Электронно-лучевые трубки, строка 1]. Световые узоры, которые используются в ЭЛТ-мониторе с цветом: белый, который содержит «смесь цинка, кадмия, сульфида серебра, ZnS: Ag+(Zn, Cd)S: Ag — это белый люминофор P4, используемый в черно-белых телевизионных экранах», [Wiki-фосфор, электронно-лучевые трубки, строка 6] а также компьютерные мониторы. «Красный: оксид-сульфид иттрия, активированный европием, используется в качестве красного люминофора в цветных ЭЛТ». [Wiki Phosphor, Электронно-лучевые трубки, строка 8] (YVO₄:Eu³). «Желтый: при смешивании с сульфидом кадмия образующийся сульфид цинка-кадмия (Zn, Cd)S:Ag дает сильный желтый свет». [Wiki Phosphor, Электронно-лучевые трубки, строка 10]. «Зеленый: сочетание сульфида цинка с медью, люминофором P31 или ZnS:Cu дает зеленый свет с пиком на длине волны 531 нм и длительным свечением». [Викилюминофор, Электронно-лучевые трубки, строка 11]. «Синий: сочетание сульфида цинка с несколькими частями серебра, ZnS:Ag, при возбуждении электронами обеспечивает сильное синее свечение с максимумом при 450 нм с коротким послесвечением продолжительностью 200 наносекунд. Он известен как люминофор P22B. Этот материал, сульфид цинка и серебра, до сих пор является одним из наиболее эффективных люминофоров в электронно-лучевых трубках. Он используется в качестве синего люминофора в цветных ЭЛТ». [Wiki Phosphor, Электронно-лучевые трубки, строка 12]. Стандартный тип люминофора для компьютерного дисплея имеет состав InBO3:Tb+InBO3:Eu.

Сегодня использование светодиодных (светоизлучающих диодов) мониторов в значительной степени заменило ЭЛТ-мониторы благодаря усовершенствованной технологии. «Светодиоды — это полупроводниковые источники света, излучающие свет при протекании через них тока». [Вики-индикатор, строка 1].

Новый тип светодиодных экранов называется OLED (органический светоизлучающий диод). Они были разработаны химиками Чинг Ван Тан и Стивеном Ван Слайком в 1987 году. OLED состоит из слоя органических материалов, которые расположены между двумя электродами, анодом и катодом, и нанесены на подложку. «Органические молекулы обладают электропроводностью в результате делокализации пи-электронов, вызванной сопряжением части или всей молекулы». [Wiki OLED, принцип работы, строка 2].

OLED-дисплеи все еще совершенствуются и в настоящее время являются одной из ведущих технологий для полноцветных дисплеев. Кроме того, OLED-дисплеи являются очень экологичными источниками света, поскольку в их производстве не используется ртуть, а качество цветопередачи превосходное.

Гибкие OLED-панели — это новая технология, которая в будущем станет общедоступной. Исследования в области химии позволили производить гибкие OLED-панели. В качестве материала для этой технологии используется полиэтилентерефталат (ПЭТФ). Химическая формула C₁₀H₈O₄. Основная проблема, которую необходимо решить для гибкой технологии OLED, заключается в снижении остаточного напряжения на устройстве, а также в уменьшении внешнего напряжения от изгиба. Продолжаются исследования и разработки в области химии для улучшения компьютерных мониторов.

Материнские платы

Компьютерные компоненты, такие как материнская плата, развивались в технологическом плане, это стало возможным благодаря использованию химии. Компоненты, из которых состоит материнская плата, стали меньше и изящнее.

Кроме того, использование химии важно для компьютерной инженерии при производстве материнских плат, поскольку при ее создании происходит много химических процессов. Химические процессы, такие как производство стекловолокна и химическое травление, были бы невозможны без использования химии и работы с химиками. Поэтому химия жизненно важна для компьютерных наук и компьютерных инженеров.

Жидкая охлаждающая жидкость

Химия позволила эффективно создавать системы жидкостного охлаждения, используемые для охлаждения ЦП (центральных процессоров). Жидкостное охлаждение — это очень эффективный метод отвода тепла в компьютере, вызванного ЦП (центральным процессором) и ГП (графической обработкой). единица). Чаще всего используется дистиллированная вода. Однако жидкий азот также широко используется компаниями для охлаждения ЦП, когда они пытаются измерить пиковую производительность ЦП.

Хотя использование стандартной системы жидкостного охлаждения с использованием дистиллированной воды по-прежнему популярно, общественности был представлен новый метод жидкостного охлаждения деталей компьютера с использованием термосифона. С обычной системой жидкостного охлаждения возникает проблема, заключающаяся в том, что иногда ЦП будет выделять много тепла, а дистиллированная вода в системе охлаждения будет испаряться, оставляя меньше жидкости для передачи тепла. С термосифоном «жидкость в испарителе возле процессора работает почти как тепловая трубка, поскольку жидкость находится в герметичном металлическом корпусе и нагревается до состояния пара». [pcworld, строка 7]. «Нагретый пар поступает в конденсаторы по каналам, где охлаждается и возвращается в жидкую форму». [pcworld, строка 8]. Эта уникальная инновация позволила системам жидкостного охлаждения удерживать испаряемую воду.

Правильное редактирование и форматирование
Бесплатная редакция, титульный лист и библиография.
Гибкие цены и гарантия возврата денег

Использование термопасты — еще один способ жидкостного охлаждения. С использованием химии в информатике и вычислительной технике была изготовлена термопаста для заполнения воздушных зазоров между ЦП и вентилятором ЦП. Термопаста выступает в качестве эффективного охлаждающего агента для ЦП в сочетании с системой жидкостного охлаждения или вентилятором ЦП. Термопаста «представляет собой теплопроводящее (но обычно электроизоляционное) соединение, которое обычно используется в качестве интерфейса между радиаторами и источниками тепла, такими как мощные полупроводниковые устройства». [вики Термальная паста, строка 1]. «Основная роль термопасты заключается в устранении воздушных зазоров или пространств, которые действуют как теплоизоляция в области интерфейса, чтобы максимизировать передачу и рассеивание тепла». [вики Термопаста, строка 3].

Термопаста состоит из полимеризуемой жидкости и имеет большие объемные доли электроизолирующего и теплопроводного фильтра. Материалами матрицы термопасты являются эпоксидные смолы, силиконы, уретаны и акрилаты. Также используются клеи, такие как клеи-расплавы, системы на основе растворителей и липкие ленты, чувствительные к давлению. В качестве наполнителей для клеев используются оксид алюминия, нитрид бора, оксид цинка и нитрид алюминия.

Производство систем жидкостного охлаждения для ПК во многом зависит от использования химии. Только люди с химическим образованием могут определить, что произойдет с жидкостью, когда микропроцессор достигнет более высоких температур. Чтобы система жидкостного охлаждения работала должным образом, ее необходимо тщательно протестировать в контролируемой среде, чтобы в продукте не было абсолютно никаких неисправностей. Распространенными последствиями являются сверхурочная работа, утечка воды из системы жидкостного охлаждения и воздушные карманы. Будем надеяться, что в будущем новые исследования в области химии могут предложить улучшенный тип жидкого соединения для замены воды. Термопаста, продукт для уменьшения нагрева процессора, также производится с использованием химии. Это связано с информатикой и химией, потому что без термопасты процессоры будут иметь чрезмерное количество тепла и полностью выйдут из строя. Использование химии позволило производить термопасту, чтобы ЦП мог работать бесперебойно без скачков температуры.

Центральные процессоры (ЦП)

Центральный процессор – это разновидность электронной схемы, которая очень быстро выполняет инструкции и выполняет математические операции. Центральный процессор — одна из самых фундаментальных частей компьютера в компьютерной электронике. Центральные процессоры состоят в основном из кремния, который является важным элементом, используемым в качестве проводника, когда к материалу прикладывается напряжение. Первые этапы производства начинаются с изготовления химических пластин, на которых будет производиться ЦП. Процесс начинается с плавления поликремния вместе с количеством электрически активных элементов, таких как бор, мышьяк и фосфор. Как только химический процесс завершен, следующим шагом является опускание затравочного кристалла кремния в расплав. Рост кристаллов начинается вокруг затравки сразу после снижения температуры. Затем затравку медленно извлекают из расплава. «Температура расплава и скорость экстракции определяют диаметр слитка, а концентрация электрически активного элемента в расплаве определяет электрические свойства кремниевых пластин, которые будут изготовлены из слитка». [CPU Shack, строка 11].

Далее на пластину наносится слой оксида и слой органического фоторезиста. Затем на пластину наносится маска, и через промежутки проходит УФ-свет. Ультрафиолетовый свет в основном используется из-за более короткой длины волны, которую он излучает. Использование более короткой длины волны означает, что он может без проблем проходить через меньшую маску. «УФ-свет затвердевает (фиксирует) фоторезист». [CPU Shack, страница 2, строка 6-9]. После этого процесса используется химическое травление для удаления оксида кремния плавиковой кислотой. Плавиковая кислота является неорганическим соединением и не удаляет фоторезист. Оставшийся фоторезист удаляют, смывая его, после чего пластина готова. Материал готов к легированию и другим типом кремния.

Следующим шагом будет изготовление транзистора для пластины. «Пластина p-типа (кремний, легированный бором) имеет эпислой n-типа (кремний, легированный фосфором или мышьяком)». [CPU Shack, страница 2, строка 11]. После завершения двух процессов маска используется для имплантации диоксида кремния, а затем она используется для изолятора. Акцепторные атомы, в основном бора, диффундируют в окно в составе диоксида кремния. С помощью другой маски выращивается дополнительный диоксид кремния, а затем имплантируются донорные атомы, такие как мышьяк, с избыточным количеством электронов. Как только диоксид кремния готов, новая маска используется для выращивания дополнительного диоксида кремния. Последний процесс заключается в использовании последней маски, которая используется для имплантации испаренного алюминия или меди для контактов. [CPU Shack, изготовление транзистора, строки 1–6].

Заключительный этап — производство микропроцессора. «Кремний на изоляторе (КНИ) — это производственная технология, при которой изолирующий слой создается в кремниевой пластине, изолируя верхний слой кремния, где будут изготавливаться активные транзисторы, от остальной части объемной кремниевой пластины». [CPU Shack, страница 4, строка 2]. «Скрытый оксидный слой действует как барьер, который уменьшает утечку тока из транзисторов, в результате чего полупроводниковые устройства работают быстрее и эффективнее». [CPU Shack, страница 4, строка 3]. «Иммерсионная литография — это метод улучшения проекции, при котором жидкость помещается между линзой и пластиной» [CPU Shack, стр. 4, строка 11]. «Диэлектрики с низким значением k используются для изоляции межсоединений в интегральных схемах». [CPU Shack, страница 4, строка 12]. Наконец, в заключительном процессе используется напряженный германий, экстремальное ультрафиолетовое излучение EUV и разделение путем имплантации кислорода. [CPU Shack, стр. 4].

Полупроводники

Полупроводник по определению в компьютерной электронике — это твердое вещество, проводимость которого находится между изолятором и металлами. Свойства обусловлены либо примесью химического вещества, либо воздействием температуры.Полупроводниковыми свойствами обладают многие элементы и соединения, например кремний и германий. Бинарные соединения, такие как арсенид галлия и карбид кремния. Процесс производства полупроводников проходит множество различных типов химических процессов. Одним из наиболее фундаментальных химических процессов является получение высокой степени кристаллического совершенства, поскольку любые дефекты кристаллической структуры вызовут серьезные дефекты полупроводников. Как только кристаллическое совершенство достигнуто, используется комбинация химических процессов, которые используются для превращения полупроводниковых материалов в интегральную схему. Химический процесс называется термическим окислением, при котором на поверхности силикона образуется диоксид кремния. Затем диоксид кремния используется в качестве изолятора затвора и полевого оксида. Другие процессы известны как фотомаски и фотолитография, которые создают узоры на схемах интегральной схемы. Ультрафиолетовый свет и слой фоторезиста используются для создания химического изменения, которое создает узоры для схемы. Плазменное травление является важным процессом, используемым для изготовления полупроводников. «Плазменное травление включает травильный газ, закачиваемый в камеру низкого давления для создания плазмы». [Wiki Semi-conductor, Материалы, Строка 18]. «Обычным травильным газом является хлорфторуглерод или, более известный как фреон». [Wiki Semi-conductor, Материалы, Строка 19]. «Высокочастотное напряжение между катодом и анодом — это то, что создает плазму в камере».

Полупроводники являются важными компонентами большинства электронных схем, и кремний всегда был в авангарде производства полупроводников. Есть много причин, по которым кремний является предпочтительным элементом для использования в качестве полупроводников. Кремний можно легко отделить от кварцевого песка, и это экономичный выбор для производства компьютерной электроники.

Кремний тоже не без проблем. Оказывается, он довольно неэффективен при преобразовании света в электрический сигнал или превращении электричества обратно в свет. Исследователи в области химии хотели выйти за рамки использования кремния в полупроводниках и разработали использование новых элементов вместо кремния.

Они исследовали родственные элементы из группы IV периодической таблицы, где каждый элемент образует связи, разделяя четыре электрона. Элементами являются углерод, олово и свинец, помимо кремния и германия. Как указывалось ранее, кремний очень неэффективен при преобразовании электричества в свет, как и германий. Ученые решили проверить элементы из группы III и V столбца. Результатом этого эксперимента стал арсенид галлия GaAs. Кроме того, еще одна причина, по которой кремний предпочтительнее германия, заключается в том, что германий имеет более высокую подвижность электронов и вызывает протекание обратного тока.

В целом производители электроники и полупроводников стараются уйти от кремния, так как для его обработки требуется ряд вредных химических веществ. Эти вредные химические вещества представляют опасность для здоровья людей, работающих в производстве полупроводников. Ниже приведены некоторые примеры вредных химических веществ, используемых при производстве полупроводников. Список химических веществ и проблем со здоровьем, связанных с воздействием этих химических веществ:

Наши авторы предоставят вам образец эссе, написанного с нуля: любая тема, любой срок, любые инструкции.

Белок MoFe (слева) и FeMoco (справа) можно будет проанализировать с помощью квантовых вычислений, чтобы выявить сложную химическую систему, лежащую в основе фиксации азота ферментом nitorgense.

Благодаря быстрому развитию квантовых технологий в последнее время мы еще ближе подошли к порогу квантовых устройств, вычислительная мощность которых может превышать возможности классических суперкомпьютеров.

Но когда появится полезный масштабируемый квантовый компьютер общего назначения, какие проблемы он решит?

Исследовательские вебинары Microsoft

Лекции от исследователей Microsoft с вопросами и ответами в прямом эфире и просмотром по запросу.

Большая работа уже проделана для выявления областей, в которых квантовые вычисления обеспечивают явное улучшение по сравнению с традиционными классическими подходами. Многие подозревают, что квантовые компьютеры однажды произведут революцию в химии и материаловедении; вероятная способность квантовых компьютеров предсказывать определенные свойства молекул и материалов прекрасно соответствует этому результату.

Однако остается ряд важных вопросов. Не последним из них является вопрос о том, как именно использовать квантовый компьютер для решения важной проблемы в химии. Невозможность указать четкий вариант использования с оценками ресурсов и затрат является серьезным недостатком.В конце концов, даже экспоненциальное ускорение может не привести к полезному алгоритму, если типичное практическое приложение требует времени и памяти, недоступных даже квантовому компьютеру.

Наша статья, опубликованная ранее на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, подтверждает осуществимость такого практического применения, показывая, что квантовый компьютер можно использовать для выявления механизмов реакций в сложных химических системах, используя открытую проблему биологических фиксация азота в нитрогеназе в качестве примера.

Сегодня мы тратим примерно 3% всей производимой в мире энергии на производство удобрений. Это основано на чрезвычайно энергоемком процессе, разработанном в начале 1900-х годов: необходимый реакционный газ берется из природного газа, который, в свою очередь, требуется в очень больших количествах. Однако мы знаем, что крошечные анаэробные бактерии в корнях растений каждый день выполняют один и тот же процесс с очень низкими затратами энергии, используя особую молекулу — нитрогеназу.

Эту молекулу не могут проанализировать наши крупнейшие суперкомпьютеры, но она находится в пределах досягаемости квантового компьютера среднего масштаба. Эффективное улавливание углерода (для борьбы с глобальным потеплением) относится к тому же классу проблем. Другой пример — поиск высокотемпературных сверхпроводников.

В этой статье показано, что такие необходимые вычисления могут быть выполнены в разумные сроки на реалистичных квантовых компьютерах, демонстрируя, что однажды квантовые компьютеры будут решать важные проблемы в химии, не требуя непомерных ресурсов. Эта статья также дает нам дополнительную уверенность в том, что квантовое моделирование сможет дать ответы на проблемы с огромным потенциалом для научных и экономических последствий.

Примечание редактора. В подготовке этой публикации участвовали авторы статьи: Маркус Райхер, Натан Вибе, Криста Своре, Дэйв Векер и Маттиас Тройер.

Читайте также: