上交大教授解读诺奖：＂多尺度模型＂计算神秘化学反应

　　本年度诺贝尔化学奖揭晓，犹太裔美国理论化学家马丁·卡普拉斯、斯坦福大学生物物理学家迈克尔·莱维特和南加州大学化学家亚利耶·瓦谢尔，因开发多尺度计算模型处理复杂体系的化学反应而分享奖项。他们的研究融合经典力学和量子力学领域，通过计算机程序模拟复杂的化学过程，让科学家能够了解和预测其中细节。

　　化学反应“可以计算”

　　化学反应以光速进行，电光火石之间，电子已经在原子核之间跳跃着躲避科学家们的窥探。借助实验方法描绘化学过程中每一步微小步骤，已经很难满足科学探究的步伐。上海交通大学化学化工学院教授孙淮表示，1998年，计算化学首次获得诺贝尔化学奖，得主之一约翰·波普发现的多种量子化学计算方法，使人们得以弄清楚小分子的性质和它们在化学反应中的行为，让人们了解那些不可能完全通过实验观测的化学过程。实际上，如今化学家们的实验，早已不仅仅在实验室中进行，瞬息变化中的化学世界通过计算逐渐清晰。

　　化学反应是极其神秘而复杂的，孙教授举例解释，“一个蛋白质分子里有成百上千个原子，但化学反应往往发生在其中的一个小区间。量子力学能够精确描述例如酶催化等小区间的化学反应，但小区间不是孤立的，整个环境也需要纳入研究考量。”今年获奖的三位科学家，将量子化学和分子力学计算相结合，用量子化学计算小区间的化学反应，用分子力学处理环境的影响，弥补了分子力学无法模拟反应过程及量子化学无法完成海量计算的缺陷。诺奖官网上一幅“牛顿和薛定谔的猫和平共处”的有趣插画寓意，今年化学奖为原本相对独立的两个世界开启了一扇合作之门。

　　建“多尺度计算模型”

　　三位科学家的开创性研究始于上世纪70年代，他们成功地建立了上述算法、并处理了诸如视网膜分子由自由电子运动造成的结构变化的问题。此后，经过长期努力，科学家们建立了更加准确和普遍适用的量子化学和分子力学结合的多尺度计算模型。

　　孙淮表示，这种方法具有普遍性，从化学、生物学、材料学到工业应用都可以研究，越来越多的科学家在用这种方法进行研究。例如，科学家们以此优化药物设计，揭示植物光合作用的机制并制造出更高效的太阳能电池，还可以通过研究催化水分子的分解来开发更多清洁能源等等。

　　将应用于更多领域

　　多尺度的概念并不局限于电子尺度的量子化学计算和原子尺度的分子力学计算。孙教授表示，目前科学家们的研究正在从原子尺度向超原子尺度过渡。例如蛋白质能够在很短的时间里自组装（折叠），但用计算方法在原子尺度上预测蛋白质折叠仍是遥不可及的任务。通过把几个乃至几十个原子作为一个位点来考量，可以有效地扩大计算范围，有望在计算机上实现蛋白质折叠，进而了解蛋白质的功能和结构的关系，为了解蛋白质的变异，揭秘疾病产生的原因提供有力的研究工具。

　　孙淮介绍，目前中国科学家也在相关领域积极参与研究，但对多尺度模型的建立研究还在初始阶段。但他认为，计算化学必将在生物科学、材料科学、化学化工等领域带来新的突破。 本报记者 易蓉