October 9th, 2013

Северус Снейп

Нобелевская премия по химии 2013 год или праздник на улице квантовых химиков

Химические реакции протекают с огромной скоростью – электроны перемещаются между ядрами атомов, и это движение недоступно простому наблюдению ученых. Благодаря работам лауреатов Нобелевской Премии по химии 2013 года стало возможным найти тайные пути электронов в веществе, призвав на помощь компьютеры. Точная информация о протекании химических процессов помогает оптимизировать строение катализаторов, лекарств и других функциональных материалов.




Нобелевскую Премию 2013 года по химии получают Мартин Карплюс (Martin Karplus), работающий одновременно в Страсбургском и Гарвардском Университетах, Майкл Левитт (Michael Levitt) из Университета Стенфорда и Ари Воршелл (Arieh Warshel) из Университета Южной Калифорнии "за разработку многомасштабных моделей сложных химических систем ".


В настоящее время химики всего мира используют компьютерные технологии для подготовки и проведения экспериментов чуть ли не ежедневно. Во многом это происходит благодаря тем методам, которые были заложены сегодняшними лауреатами еще в 1970-е года. Именно работы Карплюса, Левитта и Воршелла позволили нам понимать суть процессов, которые мы не можем наблюдать, ни невооруженным глазом, ни с помощью «медленных» методов анализа веществ и реакций.


Суть работ Нобелевских лауреатов по химии 2013 года в том, что они смогли упрячь в одну телегу классическую ньютоновскую физику и квантовую механику. Сила классической физике придала моделям лауреатов относительную простоту и экспрессность, позволяющую анализировать сложные химические системы, но физика Ньютона первоначально не могла помочь в анализе динамики химических процессов – собственно теоретическом изучении реакций. Для этого используются закономерности квантовой физики, однако до работ Карплюса, Левитта и Воршолла расчеты, основанные только на квантовых моделях требовали огромных затрат вычислительных мощностей и могли использоваться только для молекул небольшого размера.

Красота подхода Нобелевских лауреатов этого года в том, что им удалось взять все лучшее от обоих физик и разработать комбинаторные методы, в которых используется и классическая физика и квантовая механика. Например, для моделирования взаимодействия лекарство-белок компьютер использует квантовые подходы только для тех атомов белка-мишени, которые непосредственно взаимодействуют с лекарством, а остальная (большая по размеру) часть белка обсчитывается исходя из методов классической физики.

Таким образом, сегодняшнее решение Нобелевского комитета обусловлено тем, что для современного химика компьютер является таким же обязательным и важным инструментом, как пробирки и колбы, компьютерное моделирование стало настолько точным, что хорошо предсказывает исход настоящих экспериментов, а сделано это было благодаря работам Карплюса, Левитта и Воршелла.
Северус Снейп

Веселые картинки от Нобелевского комитета



На левой - взаимоотношение между классической механикой (которую изображает стилизованный Ньютон) и квантовой механикой (которую изображает стилизованный кот Шредингера) до работ Карплюса, Левитта и Воршелла, на правой - взаимоотношения классики и квантов после этих работ.