解读2013诺贝尔化学奖：化学反应搬进计算机

■冯丽妃 甘晓 王静 潘希

对于今天的化学家来说，计算机和试管已经变得同样重要。经过理论化学家不断创新，计算机已经能够逼真地模拟出复杂的化学分子模型，进而预测出化学实验的最终结果。

10月9日，诺贝尔奖委员会将2013年度诺贝尔化学奖颁发给美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特及亚利耶·瓦谢尔，表彰他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”上的贡献。这距离诺贝尔奖上一次颁发给理论化学中的密度泛函理论和量子化学计算方法已时隔15年。

“分而治之”描述化学反应

化学反应是一个微观过程，许多化学反应的发生可能只需要几微秒。因此，传统上用实验手段描述出反应过程的每一个步骤几乎不可能实现。而此次获奖的三位科学家使计算机成为了化学反应的新“试管”。

中国科学院大学化工学院教授汪志祥向《中国科学报》记者解释：“比如，生命体中的核糖从无规则的多肽链发展到稳定的蛋白质结构所耗时间在微秒级。如扫描这一过程，耗费的时间将是天文数字，这是传统研究的难点。”

“早在上世纪70年代，瓦谢尔从理论上提出，可以用计算机模拟、以量子力学和分子力学结合的方式描述化学过程。而在卡普拉斯之后，这一理论得到广泛的应用。”北京师范大学化学学院教授方维海对《中国科学报》记者说，“三位科学家在理论方法和应用上的贡献能够帮助科学家从微观尺度上理解化学过程的本质。”

“量子力学的描述小而精，分子力学的描述大但精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程，计算将难以进行，所以，多尺度组合的方法便成了最好的选择。”方维海说，“这与中国古代‘分而治之’的哲学思想类似。”

开创化学研究新局面

中科院化学所研究员史强对《中国科学报》记者说：“三位科学家建立了基于量子力学、经典力学以及混合量子—经典力学的理论模型，通过计算机模拟的方法来研究蛋白质分子的运动和酶催化反应机理。”

史强认为，他们的工作在发展分子动力学模拟方法，研究复杂化学体系的运动规律方面完成了开创性的工作。

北京大学化学与分子工程学院高毅勤则指出，化学是一门实验性的学科，三位科学家提出的模型对化学的定量化研究以及化学理论研究和实验研究有非常重要的指导作用。同时，该模型还被应用于计算化学、生物化学、生物物理学以及物理学与应用数学，是典型的跨学科成果。

因此，高毅勤向《中国科学报》记者表示：“三位获奖者的研究对化学学科的推进、化学与生物学科交叉发展都发挥了相当大的作用，具有里程碑式的意义。”

国内研究前景看好

方维海介绍，尽管国内该领域的研究起步较晚，但2000年以后，随着国家科研实力增强，这一领域研究已经取得长足进步。

去年9月，方维海课题组便采用高精度的量子化学计算对萤火虫发光机理进行了进一步探索，提出了渐进可逆电荷转移引发荧光的新机理，首次在电子态的水平阐明了萤火虫生物发光的化学起源。

2002年至2004年，高毅勤在哈佛大学做博士后期间，师从此次获奖的卡普拉斯。在高毅勤看来，国内分子模拟相关研究发展方兴未艾，也正在进行方法性创新。“我看好国内分子模拟发展前景。”他向记者表示。

高毅勤课题组致力于用理论与计算方法研究生物分子的溶液构象、生物酶催化机制和化学反应中的溶剂化效应。他们成功地预言了一系列蛋白质多肽链折叠机制和其中的共溶剂效应。

“计算机模拟还将被广泛应用于计算机辅助药物设计，具有节省时间和成本等优点。”汪志祥告诉记者。